Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ экологических параметров пожаров и их взаимосвязей.
1.1. Биогеоценоз и взаимосвязи его составляющих 11
1.2. Показатели пожарной опасности веществ 15
1.3. Общая характеристика загрязняющих веществ на среднестатистическом пожаре 17
1.4. Экологические характеристики пожаров и их анализ 22
1.5. Анализ известных математических моделей для прогнозирования загрязнения окружающей среды продуктами горения пожаров 25
1.6. Применение теории массового обслуживания для решения вероятностных задач по оптимальному обеспечению выполнения вызовов пожарных на пожары 26
1.7. Структура материального ущерба от пожаров. Анализ экологической опасности пожаров 28
1.8. Выводы по первой главе 31
1.9. Цель и задачи исследования 31
Глава 2. Математическое моделирование нерегулируемых процессов экологического воздействия пожаров на окружающую среду 33
2.1. Влияние стадийности процессов горения на пожарах на экологию окружающей среды 33
2.2. Математическое моделирование процесса диффузионного рассеивания загрязняющих веществ на пожарах 45
2.3. Исследование конвективно-диффузионных процессов загрязнения загрязнения окружающей среды в нерегулируемых условиях пожаров...47
2.4. Выводы по второй главе 55
Глава 3. Экспериментальное исследование экологических параметров пожаров 56
3.1. Экспериментальная проверка адекватности математических моделей реальным условиям рассеивания загрязняющих веществ на пожарах 56
3.1.1. Приборное обеспечение проводимых экспериментов 56
3.1.2. Методика проведения опытов, схема размещения приборов контроля и оценка погрешности измерений 58
3.2. Обсуждение результатов наблюдений на пожаре 64
3.2.1. Растворение загрязняющих веществ в воде 64
3.2.2. Концентрации газообразных загрязняющих веществ на около пожарных территориях 65
3.3. Выводы по третьей главе 74
Глава 4. Развитие нормативной и методической базы по определению ущерба от пожаров и их воздействия на окружающую природную среду 75
4.1. Алгоритм расчета концентраций загрязняющих веществ при рассеивании на пожаре 75
4.2. Оптимизация требований уровня обслуживания пожарными подразделениями пожаров 79
4.3.Затраты на содержание служб пожарной безопасности 86
4.4. Социально-экономический и экологический ущерб от пожаров 88
4.5. Задача определения оптимального количества подразделений в пожарной части 4.5.1. Вероятностная модель оперативной деятельности пожарной охраны 94
4.5.2. Продолжительность времени обслуживания и суммарное число дополнительных подразделений, привлеченных к тушению пожара из других районов 96
4.5.3. Целевая функция задачи определения оптимального числа пожарных подразделений в пожарной части и методика ее оптимизации 98
4.6. Расчет технико- и эколого - экономических параметров пожара с применением ЭВМ 107
4.7. Выводы по четвертой главе 111
Общие выводы 113
Список литературных источников 114
Приложения 1
- Биогеоценоз и взаимосвязи его составляющих
- Влияние стадийности процессов горения на пожарах на экологию окружающей среды
- Экспериментальная проверка адекватности математических моделей реальным условиям рассеивания загрязняющих веществ на пожарах
Введение к работе
Актуальность темы. Исследование допустимой вероятности воздействия опасных факторов пожаров, включая и экологическое, имеет первостепенное значение для теории и практики защиты населения от несчастных случаев. При рассмотрении пожаров большее внимание уделяется исследованиям риска гибели людей и материальных ценностей, нежели решению экологических проблем. Поэтому, задачи экологического воздействия пожаров на окружающую среду находятся в постановочной стадии исследования. Какие-либо количественные экологические характеристики отсутствуют, кроме статистических данных.
Анализ известных математических моделей по определению допустимой вероятности воздействия опасных факторов пожаров на людей показал, что в них не рассматриваются экологические факторы. По мнению проф. Харисова Г.Х. даже по вопросам допустимой вероятности воздействия опасных факторов не экологического характера пожаров на людей к настоящему времени нет однозначного ответа. В известных целевых функциях отсутствуют составляющие по экологическому ущербу от пожаров.
В связи с вышеизложенным, моделирование процессов воздействия пожаров на окружающую среду является актуальной задачей, решение которой позволит проводить прогнозные оценки, экспертизу экологического загрязнения биосферы от последствий пожаров и оценить ущерб.
Решение задачи оптимизации обслуживания требований, поступающих в пожарные подразделения на тушение пожаров с привлечением теории массового обслуживания, будет способствовать и правильному размещению пожарных подразделений в жилых зонах, определению количества задействованной пожарной техники на пожарах с заданной вероятностью обслуживания объекта тушения. Минимизация времени тушения пожаров также позволит сократить время работы источника загрязнения окружающей
среды - очага пожара. Эта задача является неотъемлемой частью общей экологической проблемы по защите окружающей среды от воздействия вредных выбросов пожаров.
Цель и задачи исследования. Целью проводимых исследований является моделирование процессов экологического воздействия пожаров на окружающую среду для проведения прогнозных экологических оценок и экспертизы на стадии проектирования зданий и сооружений.
В соответствии с поставленной целью, сформулированы задачи исследования:
развить математическую модель нерегулируемых процессов горения на пожарах для получения их режимных параметров;
разработать математическую модель диффузионного рассеивания загрязняющих веществ, содержащихся в продуктах горения на пожарах, для проведения прогнозных оценок и экспертизы экологического воздействия пожаров на окружающую среду;
развить вероятностную модель теории массового обслуживания применительно к тушению пожаров и разработать алгоритм на ее основе по определению оптимального количества подразделений пожарной части;
разработать методику комплексного расчета с применением ЭВМ ущерба от пожаров, включая ущерб от воздействия загрязняющих веществ на окружающую среду,
проверить адекватность математических моделей реальным условиям загрязнения окружающей среды на пожарах.
Научная новизна заключается в разработке: - математических моделей нерегулируемых процессов горения, диффузионного рассеивания загрязняющих веществ, включающих решения систем уравнений энергии, диффузии, и полученных на их основе аналитических зависимостей для расчета экологических параметров пожаров: температуры, теплоты, скорости и времени перемещения фронта пламени,
максимальных массовых выбросов и полей концентраций загрязняющих веществ при их диффузионном рассеивании;
вероятностной модели теории массового обслуживания применительно к пожарам и алгоритма по определению оптимального количества подразделений в пожарных частях;
методики определения экологического ущерба с применением ЭВМ на основе функции цели, включающей аналитические зависимости, полученные в работе на основе математического моделирования.
На защиту выносятся:
математическая модель процессов горения на пожарах и полученные на ее основе аналитические зависимости для определения их экологических параметров: времени горения на каждой стадии, скорости распространения фронта пламени, количества образующихся загрязняющих веществ и их максимальные концентрации;
аналитические зависимости, полученные на основе математического моделирования диффузионного рассеивания загрязняющих веществ, содержащихся в продуктах горения на пожарах, позволяющие проводить прогнозные оценки и экспертизу экологического воздействия пожаров на окружающую среду с учетом метеорологических, теплофизических и антропогенных параметров, скорости распространения факела;
алгоритм на основе вероятностной модели теории массового обслуживания применительно к пожарам по определению оптимального количества подразделений в пожарных частях;
алгоритм и методика определения экологического ущерба с применением ЭВМ на основе разработки функции цели и ее анализа.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, содержащихся в работе, подтверждены:
применением фундаментальных аэродинамических и диффузионных законов для газообразных и жидких сред, процессов горения на пожарах, подтвержденных статистической теорией и экспериментом;
соответствием результатов лабораторных и натурных исследований и численного эксперимента, выполненных с использованием современных приборов и методов испытаний со степенью достоверности 92%, в том числе теории математической статистики и теории вероятности;
одновременным использованием нескольких методов исследований, позволяющих с разных сторон изучить одни и те же процессы и явления, положенные в основу предлагаемых решений.
Практическое значение работы заключается в апробации и внедрении новых методик по прогнозным оценкам и экспертизе экологического воздействия пожаров на окружающую среду, оптимизации характеристик размещения пожарных подразделений в селитебной зоне с учетом экологических параметров и определению экологического ущерба.
Результаты диссертации используются в процессе обучения студентов по курсам «Экология», «Пожарная тактика», «Экономика пожарной безопасности» в Воронежском государственном архитектурно-строительном университете, а также подразделениями Государственной противопожарной службы Воронежской области.
Апробация работы: основные положения диссертационной работы доложены в 2002-2003 гг. на научных конференциях и семинарах и конференциях в Воронежском государственном архитектурно-строительном университете, 11-ой научно-технической конференции "Система безопасности"-СБ-2002, "Международном форуме информатизации", 2002г.
По материалам исследований опубликовано 6 научных статей и тезисов научных конференций общим объемом 19с. Из них лично автору принадлежит 15 стр. Одна статья опубликована в журнале, рекомендованном ВАК для докторских диссертаций. В работах, выходные данные которых
приведены в конце автореферата, автору принадлежат: 1X1 - разработки математической модели, схемы натурных наблюдений на пожарах; /6/ -разработка математической модели вероятностного подхода к определению количества задействованных пожарной техники и подразделений в пожарной части.
Объем работы: диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы из 94 источников и 2-х приложений, изложена на 126 страницах машинописного текста, в том числе 17 таблиц, 15 рисунков.
В первой главе приведен анализ литературных источников по решению задач экологии пожаров, оптимизации размещения пожарных депо с учетом минимального ущерба, включая и экологический ущерб от пожаров, сформулированы цель и задачи исследования.
Во второй главе представлено математическое моделирование конвективно-диффузионного механизма рассеивания загрязняющих веществ на пожаре. Получены аналитические зависимости для определения концентраций загрязняющих веществ на пожарах с учетом скорости распространения фронта пламени, плотностей потоков массы i-x загрязняющих веществ, характеризующих их массовые расходы, отнесенные кім2 подстилающей поверхности, загрязняющих биосферу.
В третьей главе проводятся экспериментальные исследования по оценке загрязнения биосферы загрязняющими веществами, выделяющимися с продуктами горения пожаров, проверке адекватности
В четвертой главе представлено практическое приложение основных теоретических и экспериментальных концепций по оптимизации проектирования пожарных депо на основе минимизации материального ущерба от пожаров, включая и экологическое воздействие их на окружающую среду.
С позиций теории массового обслуживания представлено решение оптимизационной задачи по вызовам пожарных подразделений пожарной части для тушения пожаров. Показано, что требуемый уровень обслуживания
пожарными подразделениями горящих объектов городов и крупных населенных пунктов зависит от количества бригад пожарных, пожарных автомобилей, а также от расстояния, которое должна проезжать бригада, а значит, от времени приезда на объект.
Разработан алгоритм прогнозирования экологического воздействия пожаров на окружающую среду. Представлена целевая функция, включающая ущерб от экологического загрязнения биосферы, затраты на размещение пожарных депо, количества пожарных подразделений. Разработана программа с применением ЭВМ по оптимизации снижения ущерба от пожаров.
Биогеоценоз и взаимосвязи его составляющих
Биосфера включает нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы, где живые организмы и среда их обитания органически связаны и взаимодействуют друг с другом, образуя целостную динамическую систему /67-68/.
Процессы горения в нерегулируемых условиях окружающей среды относятся к пожарам. Продукты горения пожаров отрицательно влияют на окружающую среду, то есть на территориально обособленный объем биосферы - биогеоценоз, выводя его из положения устойчивости и разрушая взаимосвязи биосферы.
Можно проследить тесное взаимодействие составляющих биоценоза: атмосферы, растительности, почв, микроорганизмов, животных, гидросферы.
В основе теории охраны биосферы лежит понятие о взаимосвязи элементов биогеоценоза: растительно-животное сообщество не только зависит от среды, но, в свою очередь, само определяет важнейшие параметры неживой составляющей биогеоценоза, таким образом, сама жизнь способна создавать для себя оптимальные условия среды /67/. Следует отметить, что взаимосвязь может как прямой, так и косвенной. Продукты горения на пожарах взаимодействуют не только с продуцентами, то есть с зелеными растениями, участвующими в фотосинтезе, но и с консументами - разнообразными микро - и макроорганизмами, животными, человеком, то есть редуцентами, питающимися продуцентами.
Граница биогеоценоза устанавливается на границе растительного сообщества (фитоценоза). Действительно, загрязняющие вещества, содержащиеся в продуктах горения пожаров, мигрируют в почвы и растительность, накапливаются там, то есть на границе фитоценоза, определяя баланс.
Воздействие загрязняющих веществ пожаров разрушает взаимосвязи биосферы. Действительно, неограниченному росту экосистем препятствует взаимодействие между продуцентами, консументами и редуцентами, так как консументы могут существовать лишь до тех пор, пока не израсходуют запас питательных веществ. Продуцентам также требуется постоянное поступление минеральных веществ, которые получаются в результате разложения органических веществ.
Совокупность растений, животных и микроорганизмов должна иметь определенный состав и сложившийся характер взаимосвязей, как между собой, так и со средой, а загрязняющие вещества разрушают их. Следует отметить, что в экосистеме существуют бесконечные пути движения веществ, а значит, пути отравления продуктами горения пожаров и, как следствие, разрушение взаимосвязей.
Изменение внешних условий при воздействии продуктов горения пожаров неблагоприятно влияет на некоторые виды, снижая их численность, и приводя к полному исчезновению.
Таким образом, при взаимодействии со средой обитания организмы должны поддерживать определенное равновесие, подчиняющееся закону толерантности В. Шел фор да: «У каждого растительного или животного организма в отношении различных экологических факторов существуют пределы выносливости, между которыми располагается его экологический оптимум». На рис. 1.2 представлено графическое отражение закона толерантности в координатах: "жизненная активность организма - изменение условий среды (температуры)" /67/. Недостаточное или избыточное действие среды обитания отрицательно сказывается на жизнедеятельности особей. Наилучший для организма температурный режим (Топт), при котором его активность максимальна, называется зоной оптимума. Она ограничена температурным интервалом, лимитирующим эту зону (Тлим, Тим). При изменении температуры в большую или меньшую сторону активность организма снижается.
Влияние стадийности процессов горения на пожарах на экологию окружающей среды
Процессы горения в нерегулируемых условиях окружающей среды относятся к пожарам. Изучение механизмов горения на пожарах позволит оценить влияние внешних параметров окружающей среды на интенсивность факела, а значит, выработать мероприятия по ее снижению. К основным параметрам пожара следует отнести время прогрева горючих компонентов, концентрацию окислителя и горючих веществ, скорость распространения факела, поля температур и концентраций продуктов сгорания.
Можно выделить несколько стадий процесса горения, обусловленных протеканием химических реакций 1-3 типов III. Изменение параметров горения на различных стадиях пожаров различно. Поэтому при разработке математических моделей горения необходимо учитывать тип химических реакций окисления: мономолекулярные, бимолекулярные и тримолекулярные.
На примере горения древесины, которая является основным материалом, участвующем в горении на пожаре, проследим стадийность горения III. На рис.2.1 приведены схема горения твердого горючего материала - древесины и поля температур в пиролизованном слое /40-41/. Можно выделить в соответствии с перечисленными реакциями следующие зоны горения: подогрев и подготовка горючей смеси, прогретые слои частично пиролизованной и не пиролизованной древесины, перегретый углистый слой и зона активного горения.
При протекании мономолекулярной реакции происходит подготовка к окислению горючих компонентов и окислителя. Эта зона является определяющей в начале и дальнейшем развитии горения /41/.
Как следует из схемы (рис.2.1), горение развивается в поверхностном слое, где температура tn0B поверхности твердого горючего материала при развитии горения равна 700С. Поверхность горения превращается в углистый слой, препятствующий горению. Ниже происходит нагрев слоя и начало пиролиза, в результате образуется зона частично пиролизованной древесины (начала пиролиза), где температура - tniipHa4 =2 00С. Таким образом, перепад температур в слоях 1-4 перепад температур равен 700-200=500С. В углистом слое практически выгорают горючие вещества, поверхность становится пористой, а через поры в зону горения диффундируют новые порции горючего вещества, которые поддерживают дальнейший процесс горения. Лабораторный опыт по сжиганию древесины показывает, что наиболее активно с горючими веществами загрязняющие вещества поступают сначала с поверхностного слоя до его обугливания, а потом - со второго слоя III.
Из этого можно сделать вывод, что на этих стадиях в основном образуются продукты химического недожога, оксиды серы, углеводороды, полимеры.
Для активного образования оксидов азота температура среды низка. Окисление азота до оксидов происходит в основном в ядре факела, где температура горения близка к адиабатической температуре. Анализ изменения адиабатической температуры для различных видов топлив показывает /Норм, метод, кот/, что ее величина в основном зависит от удельной теплоты сгорания материалов. Для древесины она равна Та=1500-1650К, при горении газообразных топлив - Та=1800-2000К, мазута и нефтепродуктов - Та=1900-2100К. Из этого следует, что генерирование оксидов азота возможно при сгорании только отдельных видов топлив, так как температура образования оксидов азота составляет порядка 1880К и выше. Наиболее активно оксиды азота, образующиеся при окислении азота, содержащемся в воздухе и топливе, генерируются на пожарах при сгорании некоторых органических веществ, например, полистирола, нефти и нефтепродуктов, природных и искусственных газов.
Зависимость концентраций других загрязняющих веществ от температуры менее выражена, так как они могут генерироваться при выходе летучих веществ из прогретого горючего материала.
Таким образом, для количественной оценки источников генерирования загрязняющих веществ необходимо знать температурное поле в зонах горения.
Характер изменения температур по толщине слоя можно описать эмпирически, если известна температура на поверхности, но точность эмпирических зависимостей будет не высокой.
Процесс подготовки к окислению продуктов сгорания (зоны 3-4) и их горение можно рассчитать на основе математической модели, характеризующейся изменением параметров при необратимой реакции первого рода, которая одновременно учитывает нестационарность температурных и концентрационных полей горючих компонентов и окислителя /40 - 41, 44/. Развитие этой модели позволит определить изменение температуры в слоях подготовки материала к сгоранию и непосредственно в зоне горения в зависимости от времени пожара на каждой стадии.
Экспериментальная проверка адекватности математических моделей реальным условиям рассеивания загрязняющих веществ на пожарах
Экспериментальная проверка адекватности математических моделей, рассмотренных выше, реальным условиям загрязнения окружающей среды проводилась на реальном пожаре. В России такие наблюдения проводились впервые. В публикациях иностранных авторов /85-94/ имеется достаточно обширный материал по наблюдениям за реальными пожарами с определением вероятностных характеристик.
В настоящих исследованиях целью наблюдений является проверка адекватности математических моделей реальным условиям рассеивания загрязняющих веществ на около пожарных территориях. В эпицентре пожара замеры не проводились, а использовались данные работ /39, 64-66, 70, 74, 80/.
Достаточно сложно проводить опыты на реальном пожаре, так как пожар надо не наблюдать, а тушить. К трудностям морального характера добавляются и некомфортные условия проведения инструментальных замеров: загазованность и повышенная температура окружающей среды, излучение факела и др., а также фактор случайности возникновения пожара.
Целью инструментальных замеров является определение параметров пожара на около пожарных территориях: температуры, влажности воздуха, плотности теплового потока, излучающего факелом, приближенная оценка скорости его перемещения и определение концентраций загрязняющих веществ.
Проводился газовый анализ на содержание СО; N02; S02; H2S; СО; Cl2 на расстояниях, кратных 20 м. как с наветренной, так и с подветренной сторон. Анализ проб воздуха на содержание перечисленных загрязняющих веществ проводился с помощью газоанализаторов немецкого производства "Тэсто - 350" и "Инфалит-8 762/. "Инфалит - 8" является газоанализатором, работающем по принципу поглощения инфракрасного излучения. Диапазон измерения СО составляет от 0 до 10 об.%. Отбор проб производился на пожаре газозаборным зондом в течение, не более 10 сек. Проба пропускалась через рабочую камеру измерительной кюветы. Сопоставление проводилось с камерой сравнения, заполненной инертным газом N2. Диапазон измерений концентраций оксида азота составляет 2000 -т-5000 ррт, диоксида азота- 100 -S-500 ррт и диоксида серы - 2000 + 5000 ррт. Погрешность измерений по диоксиду азота равна не более 15%. "Тэсто" - 350", кроме того, может измерять влагосодержание от 0 до 100 %, температуру воздуха от -20 до 140С, скорость ветра от 1 до 10 м/с и температуру воздуха./62/.
Отборы проб воздуха, либо определение концентраций загрязняющих веществ, в опытах проводились как с наветренной, так и с подветренной стороны через каждые 20 м. от условной оси факела, определяемой визуально. Отбор проб воздуха для дублирования осуществлялся и в резиновые камеры. Резиновые камеры закачивали пробой воздуха до диаметра 20 см, после чего отверстие глушилось пружинным зажимом.
Экологическое воздействие пожара на окружающую среду рассмотрено с учетом фоновых концентраций в районе горящего объекта, представленных Воронежским областным центром по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды.
Отборы проб и замеры концентраций проводились автором при участии городского центра Санэпиднадзора г. Воронежа.
Направление ветра по отношению к источнику выбросов в момент замера концентраций фиксировалось с помощью вымпела и компаса. Данные замеров сопоставлялись с метеорологическими данными соответствующих служб. Скорость ветра определялась на уровне дыхания человека - 1,5 м. и выше. При значениях скорости ветра до 5 м/с использовался крыльчатый анемометр АСС-3, а при более 5 м/с - индукционный анемометр АРИ-49.
Для расширения диапазона исследуемых видов загрязняющих веществ, а также определения разовых концентраций оксида углерода на пожаре для расчета точности измерений и количества замеров в одной точке концентрации определялись и с помощью многоканального газоизмерительного прибора "Multiwarn И", выпускаемого фирмой "Drager" (ФРГ). Шкала прибора отградуирована в мг/м и ррт. Прибор является собственностью дорожной лаборатории ВГАСУ, прошел госповерку и аттестован в городской лаборатории экологии и мониторинга г. Воронежа.
Инструментальные замеры концентраций, до пяти загрязняющих веществ: С02, СО, СНд, H2S и 02, проводились путем замены установленных сенсоров. Подача проб газа в прибор осуществлялась принудительно насосом. Замер концентраций производился с высокой точностью до 0,01 Vol.%.
При отборе проб применялись также электроаспираторы, психрометры, анемометры, барометры. Все приборы также прошли госповерку. На пожаре в Ленинском районе г. Воронежа проводились замеры концентраций оксида углерода, диоксидов азота и серы.
