Содержание к диссертации
Введение
Глава I Состояние вопроса оценки экологической опасности на этапе хранения судов. цели и задачи исследования
1.1, Состав флота, находящийся на этапе хранения 8
1.2. Обзор работ в области оценки экологической опасности на этапе хранения судов. Цель и задачи исследования 17
Глава 2. Исследование влияния факторов на уровень экологического риска при хранении судов 22
2.1, Идентификация событий, приводящих к ущербу на этапе хранения судов 22
2.2. Влияние факторов на разгерметизацию корпусов судов на этапе хранения 38
2.2.1. Оценка влияния бассейна отстоя на разгерметизацию корпусов судов на этапе хранения 39
2.2.2. Оценка влияния вида флота па разгерметизацию корпусов судов на этапе хранения 43
Глава 3. Оценка экологического риска на этапе хранения судов 48
3.1. Анализ подходов к оценке экологической опасности 48
3.2. Определение вероятности разгерметизации корпуса судна на этапе хранения 55
3.3. Динамика изменения вероятности разгерметизации корпусов судов на этане хранения 59
3.4. Статистический анализ изменения вероятности разгерметизации корпусов судов на этапе хранения 69
3.5. Оценка экологического ущерба при хранении судов 83
3.5.1. Определение подхода к оценке экологического ущерба на этапе хранения судов 83
3.5.2. Обоснование формы связи между массой отходов различного класса опасности и водоизмещением судна порожнем. Построение уравнений 87
3.6. Методика количественной оценки экологического риска на этапе хранения судов 113
Заключение 120
Библиографический список использованной литературы
- Обзор работ в области оценки экологической опасности на этапе хранения судов. Цель и задачи исследования
- Влияние факторов на разгерметизацию корпусов судов на этапе хранения
- Оценка влияния вида флота па разгерметизацию корпусов судов на этапе хранения
- Динамика изменения вероятности разгерметизации корпусов судов на этане хранения
Введение к работе
Актуальность темы. Водный транспортный комплекс является важнейшим составным элементом экономики России и его функционирование связано с негативным воздействием на окружающую среду. Вопросы предотвращения загрязнения окружающей среды (ОС) судном детально изучены на этапах проектирования, постройки и эксплуатации судна. В то же время проблема оценки воздействия и предотвращения загрязнения ОС на этапе длительного отстоя (хранения) судов исследована не в полном объеме.
В рамках Федеральной целевой программы «Модернизация транспортной системы России (2002-2010 годы)» действует подпрограмма «Внутренние водные пути», в которой предусмотрены меры по очистке водоёмов от судов и плавсредств потерявших герметичность корпуса на этапе хранения.
На этапе хранения суда оказывают существенное негативное воздействие на ОС, что приводит к необходимости количественной оценке степени экологической опасности этого процесса.
Исследованиям в этом направлении посвящены работы Этина В.Л., Пластинина А.Е., Наумова B.C., Бурмистрова Е.Г., Жука Н.П., Зарицкого И.Д., Connolly R. A., Jaupp Н. L., Dixon T.R. Вместе с тем, несмотря на полученные результаты этих работ вопрос количественной оценки экологической опасности при хранении судов нельзя считать решенным.
В частности недостаточно глубоко проработан вопрос количественной оценки экологической опасности при хранении судов с учетом вероятностного характера нанесения ущерба ОС.
Таким образом, вопрос количественной оценки экологической опасности при хранении судов остается в настоящее время не решенным и исследования в выбранном направлении являются актуальными.
Цель работы и задачи исследований. Целью диссертационной работы является оценка экологической опасности при хранении судов на основе анализа экологического риска.
Для достижения этой цели были решены следующие задачи:
1. Идентификация событий, приводящих к ущербу на этапе хранения судов.
-
Исследование влияния факторов на разгерметизацию корпуса судов при их хранении.
-
Статистический анализ изменения вероятности разгерметизации судов на этапе хранения.
-
Оценка величины ущерба ОС, наносимого судном на этапе хранения.
-
Разработка методики количественной оценки экологического риска при хранении судов.
Объект и предмет исследований. Объектом исследования в диссертационной работе являются суда внутреннего и смешанного плавания, а предметом исследования - оценка экологической опасности на этапе их хранения.
Научная новизна.
Исследовано влияние факторов, влияющих на разгерметизацию корпуса судов на этапе хранения;
Выполнен статистический анализ изменения вероятности разгерметизации корпуса судна на этапе его хранения;
- Исследована зависимость величины массы отходов III—V
классов опасности, от водоизмещения судна порожнем для различ
ных типов флота внутреннего и смешанного плавания.
Практическая ценность и внедрение. Практическая ценность исследования заключается в разработанной методике количественной оценки экологического риска на этапе хранения судов и выполненном ранжировании речных бассейнов РФ по темпу роста вероятности разгерметизации корпусов судов при их хранении.
Результаты работы используются в учебном процессе по дисциплине «Управление охраной окружающей среды» по специальности «Инженерная защита окружающей среды».
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационного исследования докладывались и обсуждались на VII Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные вопросы развития образования и производства» (Н.Новгород, 2006); XII Нижегородской сессии молодых ученых (Н.Новгород, 2007); Всероссийской научно-практической конференции «Развитие транспорта в регионах России: проблемы и перспективы» (Киров, 2007); научно-методической конференции профессорско-преподавательского состава ВГАВТ (Н.Новгород, 2007); XIII Нижегородской сессии молодых ученых (Н.Новгород, 2008); международном форуме «Великие реки» (Н.Новгород, 2008).
Публикации. По теме диссертации опубликовано семь научных, работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы (153 наименований) и приложения. Работа содержит 171 страницу машинописного текста, включающих 2 с. содержания, 15 с. списка литературы, 6 рисунков и 74 таблицы.
Обзор работ в области оценки экологической опасности на этапе хранения судов. Цель и задачи исследования
В работе Пластинина А.Е. [90] по оценке экологической опасности судов внутреннего плавания, выведенных из эксплуатации, предложено в качестве количественной оценки экологической опасности определять класс опасности отходов в виде судов. В этой работе выполнены исследования, включающие в себя анализ количества компонентов различного класса опасности в составе сложного отхода в виде судна и исследование распределения компонентов (материалов) различного класса опасности, составляющих массу судна, по элементам нагрузки масс, соответствующим определенным районам судна, а так же выполнено построение регрессионных зависимостей массы отходов различного класса опасности от характеристик районов расположения их на судне.
Вместе с тем, процесс нанесения экологического ущерба на этапе хранения судов носит вероятностный характер. Поэтому оценка экологической опасности на этапе хранения судов может быть связана с определением риска причинения вреда ОС (экологический риск), значение которого учитывает вероятностные характеристики событий, приводящих к экологическому ущербу, и экологические последствия их реализации.
Анализ работ в области оценки экологического риска показал, что вопрос количественной оценки риска причинения экологического ущерба на этапе хранения судов не рассматривался и не нашел отражения в известных автору публикациях.
Риск-анализ как научная и управленческая деятельность представляет собой упорядоченную последовательность этапов научно-практических исследований, направленных на определение достоверных и обоснованных характеристик риска, а также на выявление эффективных мер по его сокращению.
Этапы риск-анализа подразделяются на два блока: этапы оценки риска, конечной целью которых является определение количественных показателей риска, соответствующих различным сценариям развития неблагоприятных событий, и этапы управления риском, направленные на снижение уровня риска.
В федеральном законе «О техническом регулировании» №184-ФЗ риск трактуется как вероятность причинения вреда жизни или здоровью граждан, имуществу физических и юридических лиц, государственному или муниципальному имуществу, окружающей среде, жизни или здоровью животных и растений с учетом тяжести этого вреда.
К основным количественным показателям риска руководящий документ РД 03-418-01 относит: технический риск, индивидуальный риск, потенциальный территориальный риск, коллективный риск, социальный риск, ожидаемый ущерб.
Например, в промышленной безопасности рассчитывают индивидуальные риски, которые выражаются только частотой возникновения (вероятностью) поражающих воздействий определенного вида в точке нахождения индивидуума; на уровне регионов и государств социальные риски, выражающиеся общим числом смертей в год в расчете на 1 тыс. человек, обусловленных недостаточным уровнем экономического развития и его последствиями (недоеданием, низким уровнем жизни и т.п.) Вопросы оценки величины экологического риска наиболее полно проработаны для оценки экологического риска при авариях на нефте- и нефтепродуктопроводах, па магистральных трубопроводах, на объектах хранения и переработки нефти и нефтепродуктов, разработаны методики определения ущерба ОС при авариях на нефте- и нефтепродуктопроводах [75, 50, 79, 80]. Существуют компьютерные системы в области моделирования загрязнений, моделирования рисков экологически негативных событий, аварий и катастроф: Эколог - предназначена для расчета выбросов загрязняющих веществ нефте- и газоперерабатывающих предприятий по обеспечению нефтепродуктами тепловых электростанций (ТЭЦ), котельных и других отраслей промышленности (нефтебазы, склады горюче-смазочных материалов, магистральные нефтепроводы, автозаправочные станции); - АТП-ВАЛ — расчет валовых выбросов от автотранспорта; - РЫВ-Эколог - расчет выбросов от неорганизованных источников в промышленности строительных материалов.
Анализ работ в области оценки экологического риска показал, что вопрос количественной оценки риска причинения экологического ущерба судном на стадии хранения не рассматривался и не нашел отражения в известных автору публикациях. Вместе с тем, ряд подходов и методик оценки экологического риска можно использовать для решения указанного вопроса.
Для оценки экологической опасности судна на стадии хранения в качестве количественного показателя риска применим ожидаемый ущерб, который РД 03-418-01 определяет как математическое ожидание величины ущерба от возможной аварии за определенное время.
В результате реализации любого неблагоприятного события в процессе хранения судов нанесенный ущерб рассматриваем в виде экологических потерь и для их оценки используем экологический риск. При этом экологический риск принимаем как количественную характеристику экологической опасности объекта, оцениваемая произведением вероятности возникновения на объекте неблагоприятного события на ущерб, причиненный ОС этим событием и его непосредственными последствиями, т.е. для расчета экологического риска судна на стадии хранения принимаем подход, при котором риск определяют в виде математического ожидания ущерба.
Таким образом, вопрос оценки экологической опасности судна на стадии хранения остается в настоящее время актуальным и не решенным. Поэтому целью диссертационной работы является оценка экологической опасности при хранении судов, на основе анализа экологического риска.
Влияние факторов на разгерметизацию корпусов судов на этапе хранения
Для определения состава (перечня) негативных (неблагоприятных) событий, вызывающих ухудшение качества окружающей среды и прямо или косвенно (через это ухудшение) наносящих экономический ущерб проведем идентификацию рисков на этапе хранения судов.
Для решения задач идентификации событий, приводящих к ущербу на этапе хранения судов, применяем аналитический метод: «деревья событий». На рисунке 2.1.1 представлено «дерево событий» при хранении судов. Вывод судна из эксплуатации, то есть вступление судна в фазу храпения (на рисунке 2.1.1 обозначено «хранение судов») принят в качестве основного (инициируемого) события. Процесс загрязнения воды судами во время отстоя распадается на два этапа: до нарушения герметичности корпуса и после потери герметичности корпуса. При нарушении герметичности корпуса судна выведенного из эксплуатации возможны два варианта развития аварийной ситуации: судно будет обсушено или будет находиться в затопленном/полузатопленном состоянии. При сохранении герметичности судно находится на плаву.
Выполненные обследования около 8000 судов в 14 бассейнах России с участием соответствующих инспекций РРР (таблица 2.1.1) показали, что около 40% судов к настоящему времени уже потеряли герметичность корпуса (таблица 2.1.2) [97].
Воздействие судов на ОС рассмотрено в работе [97], согласно которой суда на этапе хранения являются крупным источником загрязнения акватории, в которой эти суда располагаются на отстой (рисунок 2.1.2).
Первый этап (до нарушения герметичности корпуса) характеризуется загрязнениями, связанными только с коррозией корпуса и надстроек, а также с выделением в воду других вредных (опасных) веществ, входящих в состав конструкции судна и относящихся к разделу токсичных промышленных отходов.
Разрушение металла (стали) в среде электролита (воде) происходит самопроизвольно и имеет механизм электрохимической коррозии [127]. Продуктами окисления являются гидроксиды железа: Fe(OH)2 и Fe(OH)3, «ржавчина» - хРеОуГе3Оз Н20. на плаву возможна атмосферная коррозия, хотя и в этом случае, при наличии влажности (толщина слоя влаги может иметь размеры даже менее 1мм) преобладающей будет электрохимическая коррозия. Основные закономерности, определяющие скорость и полноту протекания электрохимической коррозии, достаточно хорошо изучены на основе огромного статистического материала и разработанных теорий.
Таким образом, процесс коррозии судов на этапе хранения характеризуется почти постоянным нахождением в аїрессишюй среде -электролите, которым является загрязненная речная вода, а также сезонными изменениями температуры среды. В зависимости от условий соприкосновения стали с водой скорость и характер коррозионного воздействия сильно различаются. Интенсивность коррозионного разрушения стальной поверхности зависит от глубины ее погружения в жидкую среду. Наибольшие разрушения наблюдаются в районе переменной ватерлинии в зоне капиллярного поднятия воды. Скорость коррозии здесь в 3 - 5 раз выше, чем в зоне полного погружения. При углублении под ватерлинию скорость коррозии понижается. Однако пропорционального снижения скорости коррозии с глубиной не наблюдается, так как доставка кислорода в толщу воды идет не за счет медленного диффузионного процесса, а благодаря конвекции.
Отмеченный район повышенного коррозионного износа корпуса подвергается также интенсивному износу во время ледохода (сжатие и истирание льдом, удары льдин и т.п.), поэтому в этом районе существенно повышается вероятность появления пробоин во время отстоя судов [103], что приводит ко второму этапу загрязнения, гораздо более опасному, связанному с потерей герметичности корпуса.
Появление пробоин усугубит процессы коррозии и увеличит общее загрязнение акваторий затонов за счет этого фактора, потому что: - масса коррозионных продуктов увеличится, так как возрастет площадь соприкосновения металлического корпуса и надстроек с электролитной средой за счет увеличения осадки; - в коррозионные процессы будут вовлечены внутренние металлические конструкции отсеков, остатков оборудования, изготовленных из более дорогостоящих сплавов с большим содержанием таких тяжелых металлов как: Сг (до18,25%), Ni (-1.5%), Mo (-0.75%), Си (-0,2%). Появление катионов этих металлов увеличивает общее содержание окислителей и электропроводность среды. Будут подвергнуты деструкции неметаллические конструкции - строительный материал, натуральные и синтетические материалы, содержащиеся в конструкции судна.
При старении в водной среде нетоксичных полимерных материалов в ОС могут поступать токсичные продукты их разложения органического и неорганического происхождения. Процессы, связанные с деструкцией неметаллических конструкций судна, их гидролиз, может привести к усилению электролитности среды и развития микрофлоры, так как большинство органических полимеров содержат биогенные элементы (N, Р, С и т.д.), что в свою очередь, вызывает биокоррозию. Таким образом, появление в акваториях затопленных и полузатопленных судов вызывает не только механическое загрязнение водоемов и донных отложений, повышение электролитности среды и усиление коррозионных процессов, по способствует поступлению в водные объекты биогенных веществ, снижающих самоочищающие способности водных экосистем.
Оценка влияния вида флота па разгерметизацию корпусов судов на этапе хранения
В продуктах горения полимерных материалов содержится ряд токсичных соединений: оксид углерода, цианистый водород, оксиды азота, акролеин, ацетоиитрил, формальдегид и др. В газовую фазу значительные количества хлорорганических соединений поступают при сжигании. Особую опасность представляют содержащиеся в летучей золе полихлорироваипые дибензо-п-диоксины (ЇЇХДЦ) и дибензофураны (ПХДФ).
Биологическое действие ПХДД и ПХДФ обусловлено их способностью образовывать прочные комплексы с рецепторами геиотропыых стероидных и тироидных гормонов, т.е. нормальных регуляторов внутреннего гомеостаза организма. Эти рецепторы способны связываться с арилуглеводородами (ПАУ), поэтому их называют арилуглеводородными рецепторами (АуР). В организме высших животных наибольшие количества АуР присутствуют в печени, коже, легких и лейкоцитах крови. Эти ткани и клетки оказываются в первую очередь мишенями токсического воздействия ПХДД и ПХДФ.
Диоксины и подобные им вещества в различных тканях организма на клеточном уровне определяют разнообразие системных токсических эффектов: эмбриотокеические и тератогенные, иммунотокеичеекие, гистопатологические, метаболические, эвдокришю-токсические, нейротоксическис, канцерогенные.
Характеризуя токсичность газообразной среды, образующейся при горении полимерных материалов, следует, прежде всего, отметить, что современные методы анализа позволяют идентифицировать в продуктах горения десятки химических соединений. Так, в продуктах термического разложения поливинилхлорида обнаружено 75 компонентов, древесины - более 200. Токсический эффект таких сложных смесей определяется содержанием токсичных компонентов, а также характером их комбинированного действия на живой организм. Характерная особенность дыма связана с наличием в сто составе
дисперсной фазы: твердых частиц сажи, жидких частиц смолы, влаги, аэрозолей конденсации. Характеризуя токсикологическую значимость аэрозольного компонента, следует учитывать возможность химических реакций между газами и частицами с образованием веществ, отличающихся по степени токсичности от исходных компонентов. Большое значение могут иметь и связи, характерные для физического взаимодействия частиц и газов. На поверхности частиц, образующихся при горении полимерных материалов, сорбируются хлороводород и циановодород (не исключена возможность сорбции и других токсических соединений). При вдыхании такие частицы могут выполнять транспортную роль по отношению к ядовитым газам. В зависимости от дисперсносги частицы по-разному ведут себя в дыхательных путях. Крупные частицы ( 2,5 мкм) оседают преимущественно в верхних дыхательных путях, вызывают механическое и химическое раздражение слизистой оболочки. Мелкие частицы проникают глубоко (в бронхиолы и альвеолы) и оказывают более пагубное действие. Скопление частиц дыма в дыхательных путях может вызвать нарушение дыхания и ухудшение общего самочувствия через несколько часов после успешного выхода из зоны распространения продуктов горения при пожарах. Причина этого явления заключается, по-видимому, десорбции газов, находящихся на частицах, их взаимодействие с влагой с образованием крепких кислот, которые вызывают местные воспалительно-некротические изменения тканей и общую интоксикацию организма. При поступлении частиц в большом количестве возможна механическая закупорка дыхательных путей.
Таким образом, проведенные исследования позволили сделать вывод, что разгерметизированное судно (судно - затоплено, полузатоплено, обсушено) во время отстоя наносит больший ущерб ОС, чем судно, не потерявшее герметичность корпуса (судно на плаву). Поэтому при оценке экологического риска при хранении судов на этапе хранения разгерметизацию корпуса судна принимаем за неблагоприятное событие, причиняющее ущерб ОС. 2.2 Влияние факторов иа разгерметизацию корпусов судов на этапе хранения
Идентификация событий, приводящих к ущербу на этапе хранения судов (раздел 2,1) показала, что неблагоприятным событием, приводящим к ущербу ОС на этапе хранения судов, является разгерметизация корпуса судна, поэтому необходимо установить влияние факторов на разгерметизацию корпуса судна.
Разгерметизация корпуса судна является случайной величиной и зависит от ряда факторов: срока хранения судна, технического состояния судна, срока эксплуатации, условий в акватории отстоя, типа и конструктивных особенностей судна.
В настоящее время существуют требования к местам отстоя судов, сформулированные в 1975 г. в приказе Минречфлота №221. В соответствии с этим приказом акватория для отстоя судов - это водный объект или часть водного объекта, принадлежащий судовладельцу или арендуемый им, который отвечает следующим требованиям;
Динамика изменения вероятности разгерметизации корпусов судов на этане хранения
Сформулируем и проверим нулевую гипотезу Н0: Fb(y) =Fo(y), где F0(y) - функция нормального распределения с параметрами N (39.5904; 65.00410), против альтернативы Hj: Fb(y) Fo(y). Сначала подготовим данные для проверки гипотезы. Определяем переменную группировки г, выбрав 7 интервалов группировки. Значения переменной z будут вычисляться по формуле z, = \]уХ где уj = F0(yJ, /=1,2, ..., 49.
После подготовки данных вычисляем критерий Хи-квадрат (z2)- В таблице 3.5.9 представлены результаты вычисления критерия Chi-Square, содержащая значение критерия и соответствующий этому значению уровень значимости (Асимпт. знч.).
Задача об исследовании влияния вида флота на величину масс отходов IV класса опасности на математическом языке означает, что по результатам эксперимента необходимо проверить справедливость статистической гипотезы Но о том, что каждый вид флота одинаково влияет на массу отходов IV класса опасности, то есть Н0: bi=b2=--=ЬШ, против альтернативной гипотезы Hi о том, что хотя бы одно равенство не выполнено.
В «SPSS» гипотезу Но: Ъ\=Ъ2= .—Ът проверяем с помощью процедуры сравнения средних.
Выясним на уровне значимости а =0,05, зависит ли масса отходов IV класса опасности от вида флота по результатам, приведенным в таблице 3.5.3. Переменной у присвоим приведенные в таблице 3.5.3 значения масс отходов IV класса опасности, а переменной factor - соответствующий номер вида флота (уровень фактора).
Гипотезу Но следует отклонить в том случае, когда вычисленный в «SPSS» уровень значимости окажется меньше заданного нами уровня значимости а. В данном случае а =0,05, а вычисленный уровень значимости равен нулю. Гипотеза Н0 отклоняется - вид флота влияет на величину массы отходов IV класса.
После подготовки данных вычисляем критерий Хи-квадрат (#2). В таблице 3.5.13 представлены результаты вычисления критерия Chi-Square, содержащая значение критерия и соответствующий этому значению уровень значимости (Асимпт, знч,). Таблица3.5.13 -Результаты вычисления критерия % Z
Гипотезу Но следует отклонить в том случае, когда вычисленный в «SPSS» уровень значимости окажется меньше заданного нами уровня значимости а. В данном случае а =0,05, а вычисленный уровень значимости равен нулю. Гипотеза Но отклоняется - вида флота влияет на величину массы отходов V класса.
Проведенные исследования подтверждают правильность проведения типологической группировки - различие между группами статистически значимо.
Для нахождения зависимости массы отходов каждого класса опасности для различных видов судов от водоизмещения судна порожнем используем корреляционно-регрессионный анализ. ринимаем линейную корреляционную зависимость между массой отходов рассматриваемого класса опасности и водоизмещением судна порожнем. Выбор парной линейной корреляции обусловлен тем, что в данном случае среди всех факторов, влияющих на результативный признак (масса отхода рассматриваемого класса опасности), выделяем один важнейший фактор (водоизмещение судна порожнем), который в основном определяет вариацию результативного признака. Уравнение регрессии будем искать в виде: Мош = Ь0+ЬхОпі р + дг, (3.5.8) где MGm - масса отхода рассматриваемого класса опасности, т; 60,V неизвестные параметры регрессии; Dn(ifi- водоизмещение судна порожнем, т; - независимые нормально распределенные случайные величины с нулевым математическим ожиданием.
При построении модели Мош =/ 0 +АіАчр + существенную роль играет предположение о том, что остатки - независимые нормально распределенные случайные величины. Поэтому сформулируем и проверим нулевую гипотезу Но: F (x) :=Fo(x), где F0(x) - функция нормального распределения, против альтернативы Hi: F (x)Fo(x).
Проверим средствами «SPSS» гипотезу о том, что случайная величина имеет нормальное распределение.
Сначала подготовим данные для проверки гипотезы. Определяем переменную группировки z9 выбрав 7 интервалов группировки. Значения переменной z будут вычисляться по формуле z} = \]УХ где уj - F0[xj)9 j=l, 2, данных вычисляем критерий Chi-Square (z2). В таблице 3.5.16 представлены результаты вычисления критерия Chi-Square, содержащей значение критерия и соответствующий этому значению уровень значимости (Asymptotic Significance).
Для оценки того, насколько надежно доказывают исходные данные наличие связи результативного признака (М„іШ) с фактором (Dflop), входящим в уравнение, проведем дисперсионный анализ системы связей. В таблице 3.5.17 представлены результаты дисперсионного анализа, в которых указываются источники вариации: объясненная сумма квадратов отклонений значений, рассчитанных по уравнению регрессии, от среднего значения, остаточная - отклонения фактических значений от расчетных, общая дисперсия, средний квадрат отклонений, F-критерий и уровень значимости критерия (Sig).
