Інформаційне та технічне забезпечення екологічної безпеки критично небезпечних промислових об'єктів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Харківський національний університет імені В. Н. Каразіна

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Спеціальність 21.06.01 - екологічна безпека

Інформаційне та технічне забезпечення екологічної безпеки критично небезпечних промислових об'єктів

Адаменко Микола Ігоревич

Харків - 2011

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

екологічний небезпека довкілля хімічний

Актуальність теми. В умовах науково-технічного прогресу цивілізація опинилася на межі екологічної кризи. Нині багато держав нездатні спонукати людей до творчості з метою створення і використання нового у техніці по відношенню до природи. Якість економічного зростання, особливо у країнах, що не відносяться до країн, так званого, «золотого мільярда», сьогодні значною мірою визначається екстенсивною складовою, тобто забезпечується за рахунок залучення до суспільного виробництва все більшої кількості нових ресурсів, особливо, ресурсів природи. Дана ситуація створює низку загроз, зокрема, екологічного характеру. Відбувається забруднення і виснаження сільськогосподарських земель, забруднення атмосфери, вод, зменшення товщини озонового шару, вичерпання природних ресурсів, мають місце несприятливі тенденції у кліматі. Тому лише високий рівень наукового забезпечення та екологічної культури дозволять підтримувати природну рівновагу і контроль над станом навколишнього середовища. Сьогодні очевидно, що ідея економічного зростання, проголошеного єдиною метою господарської діяльності економічних систем, являється помилковою, оскільки занижує значущість таких важливих чинників, як соціальні та екологічні наслідки господарювання. Останні несуть все відчутнішу загрозу людству. На сьогодні немає методологічної бази, на основі якої можлива побудова ефективної теорії та отримання експертних оцінок безпеки життєдіяльності людини. В існуючих підходах і принципах, розроблених для забезпечення безпеки, не можна виявити цілісність поглядів і методів, вживаних працюючими у цій області фахівцями. Дана ситуація обумовлена тим, що у науковому світі дотепер не прийнята парадигма безпеки як галузі наукового знання. Часто дослідники, що займаються розробкою теоретичних аспектів безпеки, використовують такі окремо добре відпрацьовані, але часто недостатньо коректно методологічно зістиковані один з одним поняття, як ризик, катастрофа, надійність, уразливість і збиток. При спробі використання цього понятійного апарату для аналізу проблем екологічної безпеки часто виникають ситуації неоднозначного тлумачення даних понять, що стає причиною появи подальших методологічних ускладнень. Незістикованість методологій, на наш погляд, є головною перешкодою для вироблення спільних принципів теоретичної бази і з'ясування цілісної картини екологічної безпеки.

Збудувати парадигму науки про загальну теорію безпеки можна на основі поняття складної системи. З огляду на те, що безпека є абстракцією вищого порядку, вона не може бути безоб'єктовою: аналізуючи безпеку, у кожному конкретному випадку слід говорити, наприклад, про безпеку транспорту, енергетики, виробництва, окремо взятої людини, співтовариства, держави або людства в цілому. Поняття системи може стати основним базисом цієї науки: система як сукупність комплексу утворюючих її елементів і способу їх організації.

До недавнього часу дослідження в області екологічної безпеки проводилися у межах уявлень про дані системи як замкнуті статичні системи або системи з лінійною динамікою; у таких дослідженнях застосовували принципи математичної ймовірності, що породжувало необхідність проведення великої кількості спостережень і обробки значних обсягів отриманої інформації. У пропонованому науковому підході продуктивною є ідея безпеки систем і процесів, трактування безпеки як безперебійної реалізації, здійснення властивостей системоутворюючих елементів у системах і процесах. Беручи до уваги тезу про безпеку в системах і процесах, ми ставимо питання про методи і способи їх опису, що моделюють і прогнозують їх стан.

Перспективним бачиться дослідження систем і процесів із нелінійною динамікою. Проте, якщо досвід практичного застосування замкнутих статичних систем і систем із лінійною динамікою накопичено достатній, то стосовно систем із нелінійною динамікою можна констатувати іншу ситуацію: тут досвід практичного застосування не може вважатися достатнім. При лінійній динаміці на підставі поточного стану системи ми можемо говорити про її передування або подальший стан; на відміну від лінійної динаміки, система із нелінійною динамікою такої можливості не надає, і це значно ускладнює прогнозування поведінки системи.

Таким чином, запропоноване дослідження, ґрунтуючись на принципі складності і динамічності, може інтегрувати різні види наукової діяльності і використовувати не тільки строго дедуктивний математичний апарат, але і індуктивні властивості людської свідомості. У даному випадку йдеться про необхідність вирішувати проблему мінімізації екологічно шкідливого впливу промисловості на довкілля під час її сталого функціонування, внаслідок якого відбувається повільне негативне зміщення екологічної рівноваги, та функціонування під час аварій, наслідки яких є значно масштабнішими. При вирішенні такої проблеми методологія невід'ємна від природи такого досліджуваного об'єкту, яким являється екологічна небезпека.

Зміст сучасних трансформаційних процесів полягає в екологізації суспільного виробництва, у перетворенні суспільних інститутів, регулюючих природокористування. З урахуванням екологічної ситуації виникає потреба їх активізації та інформаційно-технічного забезпечення необхідних заходів для розв'язання проблеми екологічної небезпеки аварій на потенційно небезпечних об'єктах, що безумовно доводить важливість та актуальність теми дисертаційного дослідження.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась у рамках держбюджетних НДР Науково - дослідного, проектно - конструкторського та технологічного інституту мікрографії МНС України: «Удосконалення інформаційної підсистеми моніторингу стану потенційно небезпечних об'єктів» номер держреєстрації 0106U006998 2006 - 2010р.р. на замовлення МНС України; «Розроблення ДСТУ «СФД. Страховий фонд документації для проведення аварійно-рятувальних робіт. Порядок створення, формування, ведення та використання»» номер держреєстрації 0106U001493 2007 - 2008р.р., на замовлення МНС України. «Розробка аналітичної частини ПЛАС об'єктів Ташлицької ГАЕС та Олександрівської ГЕС» реєстраційний номер 0106U007815 2006 - 2007р.р. на замовлення - ТОВ «ІВЛ «Обладнання та інжиніринг»». Академії внутрішніх військ МВС України: «Розроблення механізму взаємодії між підрозділами внутрішніх військ МВС України та спеціальними формуваннями сил цивільного захисту МНС України при виникненні надзвичайних ситуацій» (шифр «Ситуація» інвентарний номер 143) 2010р., на замовлення начальника Головного управління - командувача внутрішніх військ МВС України. У даних НДР автор брав участь як виконавець.

Мета роботи. Метою роботи є мінімізація екологічної небезпеки функціонування хімічно- та вибухо- пожежо- потенційно небезпечних об'єктів за рахунок розробки інформаційно-технічного забезпечення превентивної локалізації екологічних наслідків можливих аварій на них.

Для досягнення мети роботи поставлені наступні завдання:

провести дослідження протиріччя між соціологічною неможливістю обмеження зростання техногенного навантаження навколишнього середовища та необхідністю забезпечення при цьому техногенної безпеки шляхом вивчення стану потенційної небезпеки промисловості в цілому та найбільш небезпечних класів її об'єктів;

провести дослідження типових сценаріїв розвитку комплексної аварії і надзвичайної ситуації та їх екологічного впливу на навколишнє середовище;

виконати аналіз екологічно шкідливого впливу аварій на хімічних, вибухо- та пожежо- небезпечних об'єктах, провести аналіз існуючих методів обмеження екологічної небезпеки на таких об'єктах;

розробити теоретичні основи та методи забезпечення своєчасного виявлення початку екологічно небезпечного впливу аварійної ситуації на довкілля шляхом підбору систем спостереження та сповіщення за критерієм максимальної безвідмовності;

розробити математичну модель оптимальних дій для ліквідації відмовлення в системі спостереження-сповіщення;

розробити швидкодіючий технічний комплекс для забезпечення превентивної локалізації аварій і надзвичайних ситуацій та провести математичне обґрунтування його роботи з наданням конкретних рекомендацій по використанню.

Об'єкт дослідження - екологічна небезпека функціонування хімічних, вибухо- та пожежо- потенційно небезпечних промислових об'єктів під час аварій на них.

Предмет дослідження -забезпечення мінімізації екологічних наслідків аварій на хімічних, вибухо- та пожежо- потенційно небезпечних промислових об'єктах.

Методи дослідження - в роботі використовувалися методи теорії графів, методи математичної фізики, методи теорії ймовірностей.

Наукова новизна отриманих результатів:

- вперше застосовано сценарний підхід до виникнення та протікання комплексної аварії та екологічної кризової ситуації з урахуванням набуття синергічних властивостей;

- вперше розроблено новий метод підбору систем спостереження та сповіщення за критерієм максимальної безвідмовності з використанням методів теорії ймовірностей;

- вперше теоретично змодельовано забезпечення безвідмовної роботи систем спостереження та сповіщення шляхом розрахунку необхідної кількості дублюючих контурів;

- вперше математично змодельовано процес оптимальних дій для ліквідації відмовлення в системі спостереження-сповіщення;

- отримано нове розв'язання задачі щодо математичного моделювання різноманітних процесів розповсюдження екологічно небезпечних речовин в просторі та в часі на базі механіки суцільних середовищ та теоретичної механіки;

- вперше побудовані на базі рівнянь гідродинаміки математичні моделі, які описують роботу запропонованої установки, що забезпечує превентивну локалізацію розповсюдження шкідливих речовин внаслідок аварії.

Практичне значення отриманих результатів. Практична цінність результатів досліджень полягає в тому, що на базі проведеного наукового аналізу існуючого стану проблем створено методику розрахунку наслідків комплексної аварії на хімічних, вибухо- та пожежо- потенційно небезпечних об'єктах. Запропоновано способи проектування та підбору максимально безвідмовних систем спостереження і сповіщення на стаціонарних хімічних, вибухо- та пожежо- потенційно небезпечних об'єктах.

Запропоновано швидкодіючий технологічний комплекс та окреме обладнання [патент №22616 України] для забезпечення превентивної локалізації аварій.

Отримані результати роботи були використані при складанні ДСТУ 7135:2009 «Паспорт потенційно небезпечного об'єкта»; були прийняті до впровадження КП «Київпастранс» (м. Київ); ТОВ «Техно-Транс-Сервіс» (м. Харків); науково-дослідним, проектно-конструкторським та технологічним інститутом мікрографії МНС України; в Харківській державній академії фізичної культури у навчальному процесі при викладанні дисципліни «Безпека життєдіяльності та охорона праці»

Особистий внесок здобувача. Всі основні наукові положення, що містяться в дисертації, отримані автором самостійно. Теоретичне та експериментальне дослідження виконане особисто, а впровадження розробок у практику виконано при безпосередній участі автора. Наукові праці [1,2,3,8,9,10,11,12,13,14,15,18,21,23,26,28,29,32,33,34,35,36] виконані самостійно. В публікаціях у співавторстві [4,5,6,7,16,17,19,20,22,24,25,27,30,31] здобувачу належать розробки ідей, теоретичне обґрунтування, виконання розрахунків, обробка й аналіз результатів експериментів. Навчальний посібник [37] написано, ДСТУ [38] розроблено та патент [39] отримано при однаковій особистій участі співавторів.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи й основних її положень доповідались і обговорювались на наступних симпозіумах, науково-технічних конференціях, нарадах і семінарах: науково-практичній конференції “Актуальні проблеми наглядово-профілактичної діяльності в МНС” (Харків: Академія цивільного захисту України, 2004); науково-практичній конференції “Актуальні проблеми наглядово-профілактичної діяльності в МНС” (Харків: Академія цивільного захисту України, 2005); ІІ міжнародній науковій конференції “Ресурс і безпека експлуатації конструкцій, будівель та споруд” (Харків: Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури, 2005); Ш Міжнародній науково-практичній інтернет-конференції «Состояние современной строительной науки - 2005». (Полтавский государственный центр научно-технической и экономической информации Министерства образования и науки Украины, 2005); V міжнародній науково-технічній конференції «Проблемы информатики и моделирования», присвяченій 120-річчю Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут» (Харків, Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», 2005); міжнародній науково-технічній конференції “Інтегровані комп'ютерні технології в машинобудуванні” (Харків, Харківський авіаційний інститут, 2005); міжнародній науково-технічній конференції «Гарантоспособные (надежные и безопасные) системы, сервисы и технологии - Ukraine DESSERT» (Полтава, 2006); науково-практичній конференції “Актуальні проблеми пожежної профілактики” (Харків, Академія цивільного захисту України, 2006); науковому семінарі “Науково-методичні основи оцінки та управління техногенною безпекою при виникненні надзвичайних ситуацій” (Харків, Харківський університет повітряних сил, 2006); VIII всеукраїнській науково-практичній конференції рятувальників (Київ, Український науково-дослідний інститут пожежної безпеки, 2006); науковому семінарі “Науково-методичні основи оцінки та управління техногенною безпекою при виникненні надзвичайних ситуацій” (Харків, Харківський університет повітряних сил, 2007); науково-технічній конференції «Актуальні проблеми наглядово-профілактичної діяльності МНС України» (Харків, Університет цивільного захисту України, 2008); першій науково-технічній конференції «Сучасні напрями розвитку інформаційно - комунікаційних технологій та засобів управління» (Харків- Київ, «Харківський науково-дослідний інститут технології машинобудування», 2010); международной интернет конференции «Информационно-вычислительные технологии в науке-2010» (Москва, 2010).

Публікації. За темою дисертації опублікована 39 робіт, включаючи 23 публікації у наукових журналах, збірниках наукових праць, що внесені у перелік видань, затверджених ВАК України, 13 робіт у матеріалах конференцій, 1 навчальний посібник, 1 патент України, 1 ДСТУ.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів, висновків та додатка. Загальний обсяг дисертації складає 280 сторінок. Дисертація містить 20 рисунків, 13 таблиць та 207 найменувань використаних літературних джерел.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету й задачі досліджень, наукову новизну та практичну цінність одержаних результатів.

У першому розділі досліджено основні чинники впливу на зростання екологічної небезпеки внаслідок підвищення ймовірності виникнення аварій на потенційно небезпечних об'єктах: інтенсифікація процесів, що спричиняють зростання технологічних параметрів -- температури, тиску, енергонасиченості, які наближаються до критичного рівня; розширення номенклатури випуску продукції підприємствами з передовою технологією до сотень позицій, велика кількість з яких є горючими, надзвичайно токсичними або отруйними; комплексна обробка речовин, що при витоку і змішуванні утворюють вибухово-, пожежонебезпечні і отруйні сполуки; швидке оновлення технологій і техніки, для роботи з якими обслуговуючий персонал не має попереднього досвіду тощо.

Виконано дослідження стану екологічної небезпеки окремих галузей промисловості України з метою обґрунтування вибору класу потенційно небезпечних об'єктів для подальшого дослідження в роботі засобів мінімізації їхнього екологічного впливу при виникненні аварій. Виходячи із зазначеного, введено поняття критично небезпечних об'єктів - потенційно небезпечних об'єктів, аварії на яких, враховуючи якісний склад та обсяги екологічно шкідливих речовин, що обертаються у технологічному процесі, ініціюють екологічну надзвичайну ситуацію. Виявлено, що незважаючи на численні роботи (В. А. Котляревський, М. М. Забегаев, Д. В. Аннопольский, В. Г. Вайнер, В.А. Губенко, R.T. Jaske, H Walker, K. Kobayashi, T. Tobioka та інші) присвячені даному напрямку, не знайдено адекватного розв'язання цієї важливої проблеми. Визначено необхідність спеціального екологічного забезпечення для вироблення і здійснення реальних кроків по підвищенню екологічної безпеки критично небезпечних об'єктів, оскільки на відрізку часу близько десятків років показники розвитку промисловості неминуче виграють порівняно з результатами реалізації екологічних заходів.

Проведений аналіз дозволив зробити висновок, що об'єкти хімічного комплексу, а також вибухо- та пожежонебезпечні об'єкти відносяться до класу об'єктів, функціонування яких несе найбільшу екологічну загрозу, та обґрунтувати обрання мінімізації екологічної небезпеки у випадку аварії на них в якості предмету дослідження цієї наукової роботи.

У другому розділі автор визначає термінологію притаманну для кола проблематики, яка розглядається. З цією метою проаналізовані наявні і запропоновані оригінальні визначення цілої низки понять: аварійна ситуація, аварія, кризова ситуація, тощо.

Автором визначаються джерела екологічного впливу аварій в процесі розвитку на довкілля. Для цього проаналізовані особливості характерних фаз розвитку аварій на сучасних промислових підприємствах: фази зовнішньої ініціації аварії, фази безпосереднього розвитку аварії, фази виходу аварії за промислове підприємство та ініціювання аварій - реципієнтів, фази ліквідації екологічних наслідків аварії. Автор вводить поняття «комплексна аварія», як ланцюгова ініціація послідовних подій, при яких виникнення аварії на одному об'єкті ініціює виникнення аварії на іншому об'єкті-реципієнті, що, у свою чергу, стає об'єктом-ініціатором для наступного об'єкта-реципієнта і так далі. При цьому об'єкт-ініціатор і об'єкт-реципієнт можуть бути пов'язані цілою низкою різноманітних способів: територіально, функціонально, технологічно та ін.

В розділі наведені найбільш поширені загальні варіанти розвитку комплексної аварії з їх детальним аналізом, що надає можливість у подальшому оцінити спрямованість та обсяг заходів, які необхідні для зменшення екологічно шкідливого впливу комплексних аварій на людину і навколишнє середовище. Виділені основні етапи виникнення комплексної аварії та її розвитку.

На першому етапі комплексної аварії, як правило, система підпадає під вплив одного або декількох зовнішніх чинників впливу В_1, В_2,... В_N. Сумарний вплив зовнішніх чинників ініціює початок другого етапу - виникнення внутрісистемних чинників впливу В_В1, В_В2,... В_ВN.

На другому етапі під впливом зовнішніх та внутрісистемних впливових чинників можливе виникнення аварійної ситуації або декілька аварійних ситуацій всередині системи - АС_В, які в подальшому призводять до виникнення однієї або декількох аварій у межах системи - А_В.

На третьому етапі аварія або аварії можуть переростати в аварії-реципієнти поза об'єктового рівня - АР_ПО.

За результатами застосування сценарного підходу зроблені наступні важливі висновки:

- потенційно уразливим для виникнення кризової ситуації може стати не тільки той об'єкт, на який безпосередньо розповсюджується вплив зовнішніх чинників зі створенням загрози його функціонуванню, а й інший об'єкт, який пов'язаний з об'єктом загрози деякими причинно-послідовними зв'язками забезпечення функціонування та життєдіяльності;

- пересічний об'єкт стає уразливим навіть при відсутності зовнішніх та внутрішніх безпосередніх загроз, якщо підпадає під наслідки дії кризової ситуації первинної послідовності, вторинної послідовності та т. ін.;

- по результатах системного вивчення всього обсягу сценаріїв розвитку комплексних аварійних ситуацій, під які об'єкт може підпадати, можливо виявити потенційні об'єкти-реципієнти, що можуть зазнати вторинних аварійних ситуацій з додаванням своїх екологічно шкідливих наслідків;

- суперпозиція екологічно шкідливих наслідків від всіх суб'єктів комплексної аварії (внаслідок хімічних реакцій, специфічних фізичних умов та ін.) може набувати синергічних властивостей;

- потенційно небезпечні об'єкти, які уражені комплексною аварією, внаслідок синергічності їх екологічного впливу, переходять до категорії критично небезпечних;

- при дослідженні комплексних аварій як суб'єктів вивчення цивільного захисту, їх екологічний вплив враховується тільки як наслідок первинної аварії безпосередньо;

- не приймається до уваги подальше розповсюдження екологічного впливу після ліквідації наслідків безпосередньо первинної аварії силами цивільного захисту;

- якщо екологічні наслідки первинної аварії та їх подальше розповсюдження умовно піддаються прогнозуванню, то екологічні наслідки комплексної аварії, внаслідок інваріантності розвитку, прогнозуванню фактично не підлягають.

Виходячи з цього, при розгляді наслідків комплексної аварії з точки зору екологічної безпеки, найбільш ефективними будуть методи щодо усунення або зменшення екологічного впливу таких аварій, які базуються на превентивній локалізації екологічного впливу на початковій стадії первинної аварії.

На базі сценарного підходу до розвитку комплексної аварії автором розроблена узагальнена процедура аналізу ризиків виникнення екологічної кризової ситуації на будь-якому об'єкті дослідження. Оскільки математичне моделювання ризиків у природно-екологічному та природно-техногенному середовищі ускладнюється невизначеністю просторово-часових і обсяго-потужнісних параметрів процесів зародження, розвитку і прояву аварій, автором пропонується оцінка ризику за сумою наступних заходів: ідентифікація джерел небезпеки; оцінка рівня загрози від джерел небезпеки; загальна оцінка екологічної уразливості території, персоналу об'єктів дослідження, населення з територій, що прилягають до об'єкту дослідження та об'єктів господарювання, які будуть реципієнтами; оцінка ризиків розвитку аварії у комплексну аварію або кризову ситуацію.

Така оцінка ризику надає можливість обґрунтування заходів щодо мінімізації ризиків з урахуванням економічних, соціальних та екологічних вимог і можливостей регіону, де розташований об'єкт дослідження.

Для забезпечення успішної локалізації екологічного впливу комплексної аварії на початковій стадії автором визначені основні чинники екологічної небезпеки аварій на об'єктах з хімічною та вибуховопожежною небезпекою.

Так, основними факторами екологічного впливу хімічної аварії на навколишнє середовище будуть такі:

1.Для аероекологічної оцінки - формування хмари зараженого повітря (первинної, вторинної і т. д.), формування пилової хмари, задимлення та інші менш впливові фактори;

2.Для літоекологічної оцінки - пролив та його розповсюдження, вторинне розповсюдження забруднення з міграцією ґрунту та водними потоками.

З метою визначення розмірів потенційної екологічної небезпеки від аварії на хімічних об'єктах автором розраховані процеси розповсюдження впливу даних чинників на довкілля. У зв'язку з цим одержала подальший розвиток математична модель опису просторового розповсюдження концентрації небезпечних хімічних речовин на основі загальної теорії механіки суцільних середовищ. Небезпечна забруднююча речовина разом з повітрям створює двокомпонентну газову суміш. Концентрація хімічної речовини, яка забруднює атмосферу, визначається її щільністю в двокомпонентній суміші. Сумарна щільність суміші , де - щільність повітря.

Забруднення атмосфери у різних точках простору у різні моменти часу цілком задається функцією . В дисертації запропонований оригінальний підхід для одержання повної системи рівнянь, розв'язуючи яку можна знайти . Ця система чотирьох рівнянь містить рівняння збереження маси забруднювача

, (1)

рівняння збереження маси повітря, рівняння збереження імпульсу та рівняння збереження енергії. В (1) використанні наступні позначення: - конвективна швидкість руху суміші; -вектор дифузії; -функція, яка визначає джерела та стоки забруднювача.

Вираз для вектора дифузії записується з простих феноменологічних міркувань. Для спрощення тут будемо припускати, що простір - ізотропний. Тоді

, (2)

де T - температура, P - тиск, D - коефіцієнт дифузії, який завжди позитивний, а k_T та k_P - коефіцієнти термодифузії та бародифузії, які можуть бути як позитивні, так і негативні.

Загальне рішення системи чотирьох рівнянь з урахуванням (2) у теперішній час отримати неможливо. Між тим при наявності деяких припущень, які реалізуються у практиці, можливо отримати рішення низки задач.

Перше рішення випливає з рівності (2), що дозволяє запропонувати термодифузійний спосіб розподілу забруднення. Цей спосіб дозволяє за допомогою градієнту температури в атмосфері, який можна створити навіть багаттям, зібрати забруднювач в якійсь області простору, де він буде дезактивований, або очистити деяку область простору від забруднювача, що буде сприяти поліпшенню екологічної ситуації.

В другому розділі розглянуто також рішення інших задач, виходячи з рівнянь (1), (2). Якщо зробити деякі припущення, то рівняння (1) з урахуванням (2) можна розв'язувати, не зважаючи на решту рівнянь повної системи. Наприклад, будемо вважати, що T = const, P = const, = const, a = 0. Врахуємо наявність стоків забруднювача, які лінійно залежать від концентрації, тобто . Стоки забруднювача виникають, коли відбувається спонтанний розпад забруднювача або реакція забруднювача з дезактивуючою речовиною.

Якщо при цих припущеннях відомий початковий розподіл забруднювача у просторі в момент часу t = 0, то загальне рішення рівняння (1) з урахуванням (2) дає розподіл забруднювача у просторі в будь -який час t. З розрахунків, виконаних у другому розділі дисертації, випливає, що

 (3)

Згідно з рішенням (3) концентрація забруднювача експоненціально зменшується з часом за рахунок стоків. З рішення (3) випливає, що забруднювач, який знаходився у точці , буде розповсюджуватися у часі та у просторі за експоненціальним законом. За час t забруднювач, що не розпався, займе характерну область простору з центром в точці . Цей результат дозволяє виявляти зміну забруднювача у часі і просторі, що дає можливість прогнозувати екологічну ситуацію.

Рішення рівняння (1) з урахуванням (2) дозволило автору одержати низку інших результатів, які наведені у другому розділі. Ці результати надають можливість оцінити межі розповсюдження екологічної кризової ситуації у навколишньому середовищі для різних видів екологічного впливу хімічних об'єктів на атмосферу та літосферу.

При аварії на вибухонебезпечних об'єктах головними екологічними факторами небезпеки будуть наступні:

- дія повітряної ударної хвилі, небезпечної для навколишнього середовища;

- дія уламків конструкцій, які зруйновані внаслідок вибуху;

- пожежі.

Екологічний вплив пожеж достатньо розглядається у галузі цивільного захисту, тому не потребує додаткового вивчення. Стосовно перших двох факторів небезпеки автором проведено додаткові розрахунки. Розраховано максимальне поширення екологічно небезпечних продуктів вибуху та згорання вибуховою ударною хвилею. Розраховані межі забруднення територій сторонніми предметами внаслідок розльоту осколків боєприпасів та уламків конструкцій.

Так, вибух штабелю боєприпасів на об'єкті класу «Арсенал» супроводжується виділенням енергії E_виб. В результаті створюється N осколків, які розлітаються в різні боки. В такій ситуації важливо знати верхні межи імпульсу та швидкості, що може мати осколок. Верхня межа імпульсу осколку дозволить знайти його максимальну пробійну здатність, а верхня межа швидкості визначає максимальну відстань, на яку може відлетіти осколок від місця вибуху.

Виконані у другому розділі розрахунки дали наступні результати для максимального імпульсу P_1max та максимальної швидкості v_1max, що має осколок з масою m₁.

, (4)

де - маса всіх N осколків. Функція v_1max(m₁) монотонно росте при зменшенні маси осколку m₁. Функція P_1max(m₁) при має максимальне значення, яке дорівнює . Ці результати визначають максимальну пробійну здатність осколку та максимальну відстань, на яку може відлетіти осколок від місця вибуху, а також надають можливість визначити відстані, на яких первинний вибух у будь-якому місці на території арсеналу призведе до перетворення аварії в комплексну завдяки влученню осколків у об'єкти, що стануть реципієнтами.

Наприкінці розділу також були проаналізовані другорядні чинники екологічної небезпеки вибухово-пожежонебезпечних аварій та їх екологічні наслідки. Крім того були надані рекомендації по структуруванню інформації з паспортів потенційно небезпечних об'єктів. Доведено, що для оцінки можливого впливу другорядних чинників екологічної небезпеки вибухово-пожежонебезпечних аварій, з паспортів ПНО необхідно отримати інформацію про:

- наявність на об'єкті небезпечної сировини, продукції та матеріалів;

- проходження на об'єкті небезпечних технологічних процесів;

- наявність особливо вибухонебезпечних сховищ і будівель, наявність складів небезпечних речовин (виробів);

- стан та місце прокладення інженерних мереж;

- ймовірні ініціюючі надзвичайні ситуації природного характеру;

- наявність ємностей з небезпечними речовинами;

- наявність відходів виробництва з включенням всіх видів відходів, які виникають при регламентних роботах на території об'єкту;

- наявність токсичних продуктів згорання та небезпечних сполук з переліком всіх токсичних продуктів згорання та небезпечних сполук, які можуть виникнути при згоранні всіх видів ВР та БП, що зберігаються на даному складі вибухових речовин (арсеналі);

- можливість ураження та її імовірність для реципієнтів аварії;

- наявність аварій, що мали місце на підприємстві, з даними про всі аварії та надзвичайні ситуації.

Проведені у розділі дослідження та розрахунки надають можливість та доводять необхідність розроблення нового інфомаційно-технічного забезпечення екологічної безпеки функціонування критично небезпечних об'єктів наведеного класу.

У третьому розділі, виходячи з попередньо доведеної необхідності локалізації шкідливого екологічного впливу на первинній стадії розвитку аварії, автором запропоновані і обчислені заходи збільшення надійності інформаційних систем спостереження за станом об'єкту. При цьому загальні постановки задач, які дозволяють застосовувати їх рішення до різних систем (технічних, екологічних, геополітичних і т.д.), сполучаються з конкретними чисельними результатами.

Площа поширення екологічно шкідливого впливу буде функціонально залежати від часу вільного розвитку аварії до початку її локалізації та інтенсивності подальшої локалізації. Таким чином, процес виникнення комплексної аварії та основні стадії її розвитку, які будуть цікавими для локалізаційно-ліквідаційних заходів, потребують методів, що дозволять виконати необхідні заходи у наявний термін.

Ці проміжки часу у значній мірі залежать від наступних властивостей автоматичної системи інформування про аварію, тобто системи спостереження і сповіщення: чутливості; швидкості спрацювання; порогу налаштування; безвідмовності.

При цьому автоматична система інформування повинна бути налаштована таким чином, щоб сповіщення про аварію надходило тоді, коли ще можливе швидке реагування на розвиток аварії на початковому її етапі. Тобто час повідомлення про аварію не повинен перевищувати час входу аварії у екологічно небезпечну фазу.

У зв'язку з цим особливу актуальність набуває задача постійного підвищення надійності технічних систем спостереження за станом об'єкту та сповіщення про загрозу виникнення аварії, яка визначається, як ймовірність безвідмовної роботи системи.

Автором надані рекомендації з контролю та підвищення надійності системи інформування за двома головними напрямками: контроль та підвищення надійності окремих одиночних елементів системи інформування; контроль та підвищення надійності системи в цілому.

За першим напрямком основною формою контролю є контроль ступеня фізичного зносу елементів системи, який характеризує втрату технічною системою з плином часу споживчої вартості та працездатності.

Універсальним, найбільш простим і розповсюдженим методом визначення ступеня фізичного зносу, застосовним до всіх елементів технічних систем без винятку, в тому числі, і для елементів інформаційних систем спостереження і сповіщання, є «метод терміну служби». При визначенні вихідних даних для розрахунку надійності елементів систем можливе використання різних методів, зокрема, кореляційних, екстраполяційних і т.д.

Автором запропоновано використовувати найбільш достовірну очікувану величину вихідних даних для розрахунку надійності елементів технічних систем, яку можна визначити за допомогою методу стандартного розподілу ймовірностей.

Застосування запропонованого методу дає можливість, виходячи з розрахунку ступеня фізичного зносу об'єктів, одержати достовірні дані для визначення надійності технічних систем без їхнього руйнування з мінімальними витратами часу і засобів.

Підкреслимо, що за критерієм рівня небезпеки і ризику, викликаних експлуатацією, технічні системи доцільно розділити на дві основні категорії (групи). У першу варто включити системи, використання яких зв'язано з надзвичайним ризиком і небезпекою. До цих систем відносяться об'єкти, якість яких визначається вимогами техніки безпеки, екологічної безпеки і т.п. У цю категорію, зокрема, включаються атомні електростанції, шкідливі хімічні виробництва, авіатехніка і таке інше. Зрозуміло, що при створенні технічних систем, які відносяться до першої категорії ризику, має бути забезпечена абсолютна, тобто максимально досяжна при даному рівні розвитку техніки якість, тому що низька надійність і більший ризик при використанні таких систем може створити надзвичайні ситуації різного ступеня складності.

В другу категорію доцільно включити всі інші технічні системи, у тому числі товари масового виробництва, експлуатація яких пов'язана з меншим рівнем ризику і небезпеки, а наслідки їхньої ненадійної роботи не настільки катастрофічні.

Звичайно, пропонована класифікація технічних систем за критерієм небезпеки і характеру наслідків їх експлуатації на дві категорії ризику у певній мірі умовна, тому що низька надійність або неправильна експлуатація будь-якої технічної системи, будь-якого предмету споживання при несприятливому збігу обставин може стати причиною виникнення надзвичайної ситуації.

Однак, характер і масштаби наслідків ненадійної роботи технічних систем цих двох груп непорівнянні, що дає достатні підстави для їх поділу на дві категорії. Пропонована класифікація дозволяє забезпечити більш кваліфіковане рішення проблеми техніко-економічного обґрунтування зниження ризику експлуатації технічних систем шляхом врахування їхньої специфіки, ступеня пов'язаного з ними ризику, а також характеру і масштабів наслідків їх експлуатації.

Другим за рахунком, але не за значущістю, напрямком забезпечення надійності функціонування інформаційних систем є напрямок контролю та підвищення надійності роботи всієї системи в цілому. У зв'язку з цим у третьому розділі дисертації, виходячи з методів теорії ймовірностей, запропонована низка заходів для підвищення надійності роботи технічних систем.

Однією з найважливіших задач щодо профілактики аварій, які впливають на екологічну ситуацію, є зіставлення надійності приладів різних типів, що входять до складу систем спостереження та сповіщення. З цією метою вирішується актуальна задача визначення відносної надійності приладів різних типів по кількості відмовлень.

Нехай маємо N₁ приладів першого типу та N₂ приладів другого типу. У процесі штатної експлуатації приладів першого типу число відмовлень склало m₁, а другого - k₂. Тоді частоти відмовлень приладів першого і другого типів відповідно дорівнюють та . Частоти відмовлень є випадковими величинами. Тому навіть при різних значеннях w₁ і w₂ надійність приладів може бути однаковою. У зв'язку з цим, у третьому розділі розв'язується задача ймовірності одержання різних значень частот відмовлень в умовах однакової надійності приладів.

Для знаходження зазначеної вище ймовірності введемо величину m₂, порівнянну з m₁, рівністю m₂= k₂+(N₁-N₂)w₂. З розрахунків, які виконані у третьому розділі, випливає, що при отриманих значеннях m₁ та m₂ ймовірність того, що надійність приладів першого та другого типів однакова, дається рівністю

. (5)

Співвідношення (5) дозволяє дійти висновку про відносну надійність приладів першого та другого типів. Результат (5) разом з технічними і економічними міркуваннями та заданою границею надійності системи спостереження дозволяють зробити вибір між приладами різних типів. Визначення границь надійності та ризику для технічних систем наведені у третьому розділі.

Наступна задача - обчислення збільшення надійності технічної системи за рахунок підключення до неї систем, що дублюють її роботу. Розглянемо систему спостереження S, що містить декілька підсистем. Обмежимось випадком двох підсистем S₁ та S₂. З наведених розрахунків випливає, що узагальнення на будь - яке число підсистем не викликає труднощів.

Штатне функціонування підсистем S₁ і S₂ та усієї системи S позначимо відповідно подіями A_S1 і A_S2 та A_S. Якщо події A_S1 і A_S2 незалежні, то ймовірність P(S) безвідмовної роботи системи S дорівнює добутку ймовірностей безвідмовної роботи підсистем S₁ і S₂, тобто P(S)= P(S₁) P(S₂)

Припустимо, що така надійність системи S виявляється менше границі надійності. При цьому немає технічних та/або економічних можливостей підвищити надійність системи S шляхом удосконалення підсистем S₁ і S₂.

Виходом з ситуації, що виникла, пропонується підключення відповідно до підсистем S₁ і S₂ дублюючих підсистем D₁ і D₂, які за допомогою перемикаючих пристроїв R₁ і R₂ почнуть виконувати функції цих підсистем у випадках, коли їхня робота не буде відповідати штатним вимогам.

З розрахунків автора випливає, що ймовірність P(SRD) безвідмовної роботи системи SRD, до складу якої входить система S, два перемикачі R₁ і R₂ та дві дублюючі підсистеми D₁ і D₂, дається виразом

P(SRD)= P(S₁) P(S₂)+ P(S₁) (1-P(S₂))P(R₂)P(D₂)+P(S₂)(1-P(S₁))P(R₁)P(D₁) +P(R₁)P(R₂)P(D₁)P(D₂)(1-P(S₁))(1-P(S₂)), (6)

де P(R₁) та P(R₂) - відповідно ймовірності безвідмовної роботи перемикаючих пристроїв R₁ та R₂; P(D₁) та P(D₂) - відповідно ймовірності безвідмовної роботи дублюючих підсистем D₁ та D₂.

Перший доданок у правій частині рівняння (6) дає надійність системи S, коли дублюючі пристрої відсутні. Другий, третій і четвертий доданки в (6) визначають збільшення надійності системи S, коли маємо дублюючі системи. Коли прагнуть до одиниці надійності перемикаючих пристроїв і дублюючих підсистем, згідно з (6) надійність системи сповіщення S також прагне до одиниці, що забезпечує відвернення аварій, поліпшення екологічної ситуації та збереження навколишнього середовища.

Високого рівня надійності роботи перемикачів та дублюючих підсистем можна досягти завдяки тому, що вони працюють відносно малий проміжок часу, який потрібен для виконання ремонтних робіт. В зв'язку з цим необхідно визначити кількість працівників для проведення ремонтних робіт.

З цією метою розглядалася система S, до складу якої входило N_n однакових підсистем. Для забезпечення надійної роботи системи S потрібні працівники, які ремонтують підсистеми, що вийшли з ладу. Вважалось, що ймовірність безвідмовної дії підсистеми та час, який потрібен для поновлення роботи підсистеми, описуються показовими розподілами. Припускалось також, що всі N_n підсистем системи S працюють незалежно. При цих умовах була визначена кількість працівників, які повинні обслуговувати N_n підсистем для безперервної роботи системи S з заданою надійністю.

Розглянемо систему спостереження і сповіщення, до складу якої входить N_e елементів. При виході з ладу будь - якого з N_e елементів система не працює. При відмові системи спостереження і сповіщення виникає задача щодо виявлення саме того елементу, який привів до відмови, з мінімальними витратами часу. Для вирішення цієї задачі необхідно для кожного i-го елементу знати величини наступних двох параметрів: витрати часу t_і на його обстеження та ймовірність P_i його відмови.

Методика вибору найбільш доцільної послідовності обстеження елементів продемонстрована на прикладі з двома елементами. З виконаних розрахунків випливає, що узагальнення методики послідовності обстеження для довільного числа N_e елементів не зустрічає принципових труднощів.

Відмову системи спостереження і сповіщення назвемо подією A. Тоді

A=C₁+C₂+C₃, де ; ; ; B_i - відмова i-го елементу, а - відсутність відмови i-го елементу.

Виходячи з теорії множення ймовірностей, одержимо

;;, (7)

де - ймовірність того, що відмова системи обумовлена виходом з ладу першого елементу; - другого елементу, а - обох елементів. Оптимальна черговість обстеження елементів визначається зіставленням відношення з відношенням .

Обстеження доцільно починати з першого елементу (8) або з другого (9), якщо

, (8)

або (9)

Використання співвідношень (8) та (9) дозволить швидко поновити роботу системи спостереження і сповіщення, що забезпечить своєчасне виявлення аварії та екологічної небезпеки для навколишнього середовища.

Безвідмовна робота інформаційної системи при наявності автоматичних систем превентивної локалізації екологічно шкідливого впливу аварії, які приводяться в дію за її сигналом, надає можливість створення технічного комплексу екологічного захисту довкілля.

У четвертому розділі автором запропонований новий технічний комплекс автоматичного реагування на екологічну небезпеку, який може швидко та безвідмовно спрацьовувати вже на стадії переходу аварійної ситуації до аварії і тим самим максимально зменшувати негативний екологічний вплив на навколишнє середовище. Комплекс складається з автоматичної системи інформування про аварію (див. розділ 3) та запропонованої автором автоматичної установки превентивної локалізації екологічно небезпечного впливу, яка побудована на наступних основних принципах:

- швидкість спрацювання, тобто можливість миттєвої дії автоматичної установки, що досягається параметрами установки та включенням її до комплексу превентивної локалізації екологічних наслідків аварії з автоматичним вмиканням установки від сигналу автоматичної системи інформування;

- універсальність, тобто можливість використання як для хімічно-небезпечних об'єктів, так і для об'єктів з підвищеною вибухопожежною небезпекою. універсальність повинна забезпечуватись шляхом незначних модифікацій системи в цілому (наприклад, зміною насадків або клапанів в залежності від характеристик кожного окремого об'єкту);

- можливість швидкого подання нейтралізатора з відстані, яка буде достатньою для розміщення установки у місці, що захищено від дії вибуху;

- достатність запасу нейтралізуючої речовини для того, щоб забезпечувати таку тривалість роботи установки, яка необхідна для застосування інших засобів локалізації. На відміну від автоматичних установок пожежогасіння, які розраховують виходячи з подачі об'єму рідини на одиницю площі за відрізок часу, в якості параметрів ефективності зменшення установкою екологічно шкідливого впливу аварії, автором запропоновано розраховувати нову установку виходячи з відношення об'єму розпорошеного установкою в одиницю часу нейтралізатора до об'єму області розповсюдження забруднення, яке потрібно поділити на радіус краплі нейтралізатора. При розробленні теорії функціонування швидкодіючого технічного комплексу автором створені математичні основи моделювання процесу витікання рідини з резервуару автоматичної системи превентивної локалізації екологічних наслідків аварії.

Отримана повна система рівнянь, що моделює витікання рідини з резервуару по трубі під впливом газу, який розширюється. Ця система рівнянь може бути записана у вигляді

(10)

Тут U_Z - швидкість плину рідини по трубі довжиною L, вісь якої співпадає з віссю Z; х -кінематична в'язкість рідини; g -прискорення вільного падіння; H_п -початковий рівень рідини у резервуарі; S - площа перетину резервуару; H_L - відстань з відповідним знаком по вертикалі від дна резервуару до кінця струменю, який витікає в атмосферу; P_вит - тиск на кінці труби, який обумовлений умовами витікання рідини в атмосферу; P_а - атмосферний тиск; с - щільність рідини;

 (11)

- обсяг рідини, що витече з резервуару до моменту часу t; a - радіус труби; r - відстань від вісі труби;

(12)

- тиск, що створюється газом в момент часу t в резервуарі; P_п та V_г.п - відповідно початковий тиск газу та початковий об'єм газу в резервуарі в момент часу t = 0.

Граничні та початкові умови записуються у вигляді

U_Z(r = a,t) = 0; U_Z(r, t = 0) = 0; P_г(t = 0) = P_п (13)

Аналітичне рішення цієї інтегродиференційної системи рівнянь у теперішній час в загальному випадку отримати неможливо. Проте існує низка випадків, що мають практичний інтерес, в яких задача істотно спрощується. Один з таких випадків реалізується для резервуарів з невеликим об'ємом, які спустошуються за короткий проміжок часу, так що в'язкістна течія не встигає установитися. У такому випадку реалізується режим ідеальної рідини, який розглядається у цьому розділу. Слід відмітити, що режим ідеальної рідини реалізується при витіканні рідини з резервуарів з любим обсягом рідини на початковому етапі її витікання впродовж часу, коли в'язкість течії не встигає установитися.

Відповідно до того, як швидкість рідини збільшується, починає відігравати роль сила в'язкого гальмування, що визначається тільки першим доданком у правій частині рівняння (10). Ця сила встановлює розподіл швидкості в поперечному напрямку труби від нульового значення на стінках труби до максимального значення на осі труби, де r = 0.

Неважко знайти характерний час, за який сила в'язкого гальмування встановлює рівновагу в поперечному напрямку труби. Для цього в правій частині рівняння (10) варто опустити другий, третій та четвертий доданки, оскільки вони описують прискорення рідини в поздовжньому напрямку труби і не відповідають за встановлення рівноваги в поперечному напрямку труби. У підсумку одержимо рівняння , відповідно до якого процес встановлення рівноваги у поперечному напрямку труби є дифузійним. Характерний час такого процесу у трубі з радіусом a, згідно з другим розділом, дорівнює . Для труби з радіусом a =8 10^-3м і води, кінематична в'язкість якої при 20⁰C дорівнює х= 10^-6 м²/сек., час t_х = 16 сек.

Розглянемо випадок, коли, після відкриття вентилю, проміжок часу t_в витікання рідини з резервуару задовольняє нерівності

t_в << t_х (14)

Тоді протягом усього часу t_в витікання рідини з резервуару перший доданок у правій частині рівняння (10), в міру нерівності (14), не встигає дати внесок у процес витікання рідини і його можна опустити. У цьому випадку збільшення швидкості в поперечному напрямку труби від нульового значення на її стінках до максимального значення відбувається в тонкому шарі біля стінки, товщина якого набагато менша радіусу труби. В результаті рідина рухається по трубі, як ідеальна, зі швидкістю, що залежить від часу, але не залежить від r аж до шару біля стінки, розмірами якого можна зневажити в порівнянні з радіусом труби a.

Режим витікання рідини впродовж проміжку часу, що задовольняє нерівності (14), будемо називати режимом ідеальної рідини. В цьому режимі відповідно до вищезазначеного u_z (r,t)=u (t)з(a-r), де з - східчаста функція Хевісайда, що дорівнює одиниці, коли її аргумент позитивний, і дорівнює нулю, коли її аргумент негативний.

Повну систему рівнянь, яка описує рух рідини у трубі в режимі ідеальної рідини, можна отримати з системи рівнянь (10) - (12), в якій в'язкість слід покласти рівною нулю. При цьому змінюється тільки рівняння (10), яке записується у вигляді

(15)

Для спрощення подальшого викладу результатів ми опустили третій та четвертий доданки у правій частині рівняння (10). Це виправдано, якщо прискорення рідини в трубі, в основному, визначається різницею тисків в резервуарі та атмосфері. При цьому відмітимо, що в розрахунках, які наведені в дисертації, ці доданки враховувалися. В рівнянні (11) можна виконати інтегрування по r. Рівняння (12) та початкові умови (13) не змінюються. Гранична умова для ідеальної рідини відсутня.

Загальне рішення інтегродиференційної системи (15), (11), (12) з початковими умовами (13) в теперішній час отримати неможливо. Тому для отримання аналітичного рішення цієї системи рівнянь використаємо метод послідовних наближень.

В першому наближенні у правій частині рівняння (15) замінимо всі функції від часу їх середніми значеннями. Після цього рівняння (15) легко інтегрується і з урахуванням початкової умови (13) знаходимо u⁽¹⁾(t), підстановка якого у вираження (11) з наступним інтегруванням дає W⁽¹⁾(t). Підставляючи отриману в першому наближенні витрату рідини у вираження (12), отримаємо в першому наближенні P_г⁽¹⁾(t).