Содержание к диссертации
Введение
1. СОВРЕМЕННЫЙ УРОВЕНЬ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВОЗДУХА ЮЖНОГО БАЙКАЛА, ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ АВАРИЙНЫХ ЗАЛПОВЫХ ВЫБРОСОВ И СОСТОЯНИЕ МЕТОДОВ ИХ ОЦЕНКИ. 11
1.1. Уровень загрязнения воздуха Южного Байкала 11
1.2. Экологические последствия аварийных залповых выбросов при горении разливов нефти и нефтепродуктов на железной дороге 14
1.3. Современные математические модели, используемые при прогностических оценках экологических последствий залповых выбросов 20
2. ОЦЕНКА ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПОСЛЕДСТВИЙ АВАРИЙНЫХ ЗАЛПОВЫХ ВЫБРОСОВ 28
2.1. Описание и усовершенствование математической модели распространения и трансформации загрязняющих веществ 28
2.2. Результаты моделирования распространения и трансформации загрязняющих веществ в результате аварийных залповых выбросов
2.3. Сравнительная оценка загрязнения воздуха Южного Байкала в результате аварийных залповых и стационарных промышленных выбросов 45
2.4. Оценка экологических последствий аварийных залповых выбросов при других направлениях ветра 50
3. ПРОГНОЗНАЯ ОЦЕНКА ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ОПАСНОСТИ АВАРИЙНЫХ ЗАЛПОВЫХ ВЫБРОСОВ 60
3.1. Разработка методики прогнозной оценки экологической опасности аварийных залповых выбросов 60
3.2. Прогнозная оценка экологической опасности аварийных залповых выбросов на железной дороге в регионе Южного Байкала 66
4. РАЗРАБОТКА ОРГАНИЗАЦИОННО-ТЕХНИЧЕСКИХ МЕРОПРИЯТИЙ ПО СНИЖЕНИЮ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПОСЛЕДСТВИЙ АВАРИЙНЫХ ЗАЛПОВЫХ ВЫБРОСОВ 76
4.1. Стратегия снижения экологической опасности перевозки нефти и нефтепродуктов по железной дороге и разработка организационных мероприятий 76
4.2. Разработка сливного устройства железнодорожной цистерны для нефти и нефтепродуктов 80
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 8
- Уровень загрязнения воздуха Южного Байкала
- Описание и усовершенствование математической модели распространения и трансформации загрязняющих веществ
- Разработка методики прогнозной оценки экологической опасности аварийных залповых выбросов
Введение к работе
Актуальность работы *
В настоящее время масштабы влияния на биосферу хозяйственной деятельности человека сопоставимы с масштабами геологических и геохимических процессов. При этом аварии, взрывы и пожары на промышленных предприятиях и транспортных магистралях являются одними из наиболее значимых по своим отдаленным экологическим последствиям, так как сопровож-даются залповыми выбросами в воздух загрязняющих веществ (ЗВ).
По железным дорогам России ежегодно перевозится более 500 млн. тонн опасных грузов, из которых 60% приходится на нефть и нефтепродукты (НиНП). В период с 1990 по 2006 гг. на железных дорогах России произошло более 500 аварий (крушений, сходов) нефтеналивных составов. Каждая третья авария сопровождалась выходом перевозимых НиНП в окружающую среду и мощным залповым выбросом при горении образовавшегося разлива. *
Вдоль Южного побережья озера Байкал - уникального природного феномена, признанного ЮНЕСКО участком мирового наследия, - проходит 250-километровый участок железной дороги, на котором периодически происходят аварии нефтеналивных составов, сопровождаемые пожарами и залповыми выбросами. В атмосферу над акваторией озера дополнительно к стационарным источникам - промышленным предприятиям городов Байкальск, Слюдянка, поселков Култук, Выдрино, Ангасолка - поступают специфические ЗВ и наносят значительный ущерб экосистеме оз. Байкал.
При горении НиНП в воздух выбрасывается широкий спектр экологически опасных ЗВ: сероводород, формальдегид, оксиды азота, серы, сажа, бенз(а)пирен, пятиокись ванадия, цианистый водород и др. В воздушной среде эти вещества подвергаются химической трансформации, переносятся на значительные расстояния, осаждаются на подстилающую поверхность, аб-сорбируются водой, оказывая негативное воздействие на гидробионтов.
В отличие от выбросов стационарных источников аварийные залповые
выбросы трудно учитывать, еще сложнее проводить инструментальные заме
ры непосредственно в очагах поражения. Поэтому разработка методов про
гнозной оценки экологических последствий аварийных залповых выбросов
на железной дороге, в частности в регионе Южного Байкала, и организаци
онно-технических мероприятий по их снижению - крайне важная и актуаль
ная задача. »
Цель работы
Целью настоящей работы является разработка методов прогнозной оценки и способов снижения экологических последствий залповых выбросов при авариях нефтеналивных составов на железной дороге на примере Южно-Байкальского региона.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
Провести оценку пожароопасности нефтеналивных цистерн, выполнить ретроспективный анализ экологических последствий аварий при перевозке НиНП по железной дороге и дать оценку эколого-экономическского ущерба окружающей среде.
Выбрать и усовершенствовать прогностическую математическую модель распространения и химической трансформации ЗВ в воздушной среде.
С помощью усовершенствованной прогностической математической модели исследовать процессы распространения и химической трансформации ЗВ, поступающих в воздушную среду Южного Байкала в результате залповых выбросов при авариях на железной дороге, разработать ситуационные карты рассеивания ЗВ в атмосфере над акваторией озера и выполнить сраь^ нительную оценку аварийных залповых и стационарных промышленных выбросов.
Разработать методику прогнозной оценки экологической опасности залповых выбросов от пожаров и определить участки железной дороги с наибольшей экологической нагрузкой.
Разработать организационно-технические и природоохранные меро-приятия с целью управления экологическими рисками в Байкальском регионе.
Идея работы
Основная идея работы заключается в разработке и применении методов прогнозной оценки экологических последствий залповых выбросов от пожаг ров, возникающих в результате аварий на железной дороге, сравнении их с промышленными выбросами и усовершенствовании конструктивных элементов нефтеналивных цистерн.
Методы исследования
В работе для решения конкретных задач использованы методы статистического анализа, физического и математического моделирования с использованием компьютерных технологий и пакетов прикладных программ.
Научные положения, выносимые на защиту
На защиту выносятся следующие научные положения: 1. Усовершенствованная прогностическая математическая модель распространения и химической трансформации ЗВ в воздушной среде, учитывающая химические превращения цианидов, наиболее опасных для экосистемы оз. Байкал экотоксикантов, и позволяющая адекватно оценивать области их распространения.
Результаты моделирования распространения и химической трансформации ЗВ, поступивших в атмосферу Южного Байкала от реального аварийного залпового выброса при горении разлива сырой нефти в районе ст. Анга-солка.
Методика прогнозной оценки экологической опасности залповых выбросов при авариях, сопровождаемых горением разливов НиНП, и результаты расчетов экологической нагрузки от гипотетических пожаров на Байкальском участке железной дороги для выявления наиболее уязвимых участков трассы и периодов года.
Организационно-технические мероприятия, направленные на снижение экологических последствий аварий нефтеналивных составов, - стратегия снижения экологической опасности перевозок НиНП по железной дороге и новое сливное устройство железнодорожной цистерны.
Достоверность научных положений ,
Достоверность научных положений подтверждается соблюдением преемственности в отношении научных положений, обоснованных учеными-предшественниками (В.К. Аргучинцев, В.Л. Макухин, С.С. Тимофеева, А.В. Малыхин и др.) и апробированных в процессе многолетнего применения в науке и практике; анализом и обобщением большого объема (1980 - 2006 гг.) фактических данных об авариях и пожарах на железнодорожном транспорте России; сходимостью результатов математического моделирования и инструментальных измерений; апробацией результатов на межрегиональных и всероссийских научных конференциях с международным участием.
Научная новизна работы
Научная новизна работы заключается в следующем:
Усовершенствована прогностическая математическая модель распространения и химической трансформации ЗВ в воздушной среде. К химическому блоку модели добавлены 22 атмосферные реакции цианидов, высокотоксичных продуктов горения НиНП, распространение которых в воздушном бассейне Южного Байкала ранее не исследовалось.
С помощью усовершенствованной модели оценены экологические последствия реального аварийного залпового выброса при горении разлива сырой нефти на железной дороге, произошедшего в регионе Южного Байкала, близ ст. Ангасолка, и разработаны ситуационные карты рассеивания ЗВ в атмосфере над акваторией оз. Байкал.
Разработана методика прогнозной оценки экологической опасности залповых выбросов, основанная на расчете приведенных масс основных токсичных продуктов горения НиНП.
С помощью разработанной методики установлены периоды года и участки железной дороги в регионе Южного Байкала, где аварии нефтеналивных составов будут представлять наибольшую экологическую опасность, и предложены превентивные меры управления экологическими рисками и предупреждения загрязнения природной среды.
Практическая значимость работы
Практическая значимость работы состоит в следующем:
1. Результаты оценки экологических последствий аварийных залповых
выбросов на железной дороге в регионе Южного Байкала переданы в Глав
ное управление МЧС России по Иркутской области и Иркутское межрегио-
« нальное управление по технологическому и экологическому надзору Ростех-
надзора, где используются при разработке оперативных управленческих решений и планов природоохранных мероприятий.
2. Разработаны и внедрены в Федеральное государственное предприятие
«Ведомственная охрана железнодорожного транспорта Российской Федера-
9 ции» стратегия снижения экологической опасности перевозок НиНП по железной дороге и организационные мероприятия, позволяющие минимизировать экологические последствия аварийных залповых выбросов в региона Южного Байкала.
3. Разработана новая конструкция сливного устройства железнодорожной цистерны, предотвращающая разливы НиНП при аварийном переворачивании цистерн.
Личный вклад автора
Личный вклад автора состоит в усовершенствовании прогностической математической модели распространения и химической трансформации ЗВ в воздушной среде, разработке методики прогнозной оценки экологической опасности залповых выбросов, научной интерпретации полученных с их помощью результатов, разработке организационно-технических мероприятий.
Апробация работы
Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на межрегиональных и всероссийских научных конференциях с международным участием: «Реализация современного законодательства в области охраны труда: проблемы и перспективы» (Иркутск, 2003); «Экологическая безопасность Восточно-Сибирского региона» (Иркутск, 2003); «Диагностика опасностей и угроз современного мира и способы обеспечения безопасности» (Иркутск, 2004); «Проблемы безопасности современного мира: способы защиты и спасения» (Иркутск, 2005); «Реализация современного законодательства в области охраны труда: проблемы и перспективы» (Иркутск, 2005); «Проблемы безопасности современного мира: средства защиты и спасения» (Иркутск, 2006).
10 Публикации
По теме диссертации опубликовано 11 научных работ, в том числе 1 в журнале, рекомендованном ВАК для публикации научных результатов на соискание ученых степеней. Новизна технического решения защищена Решением о выдаче патента на полезную модель.
*
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка и приложений. Библиографический список включает 161 наименование, общий объем работы составляет 122 листа машинописного текста, включая 10 таблиц и 32 рисунка.
Работа выполнена в соответствии с заказ-нарядами Минобразования РФ
«Разработка научных и практических основ прогнозирования экологических
и социальных последствий чрезвычайных ситуаций (на примере пожаров)»
(№ госрег. 01.2.00101522), «Создание критериев оценки техногенных аварий
с выбросом сильнодействующих ядовитых веществ по воздействию на эко
системы Байкальского региона и разработка рекомендаций по снижению
экологической нагрузки» (№ госрег. 01.2.10015277). ,
Уровень загрязнения воздуха Южного Байкала
Основными причинами аварийных залповых выбросов при пожарах являются пробои обечайки котла в результате столкновений цистерн с другими вагонами (24 %), образование аварийных отверстий в котле в результате ударов при опрокидываниях (12 %), повреждения люка-лаза (19 %) и сливног$ устройства (45 %) при аварийных переворачиваниях цистерн, которые приводят к разгерметизации и разливам НиНП.
Наиболее крупные аварий нефтеналивных составов, произошедшие на Восточно-Сибирской железной дороге, в том числе в регионе Южного Байкала, описаны ниже.
7 января 1991 г. в 17 ч 40 мин (по местному времени) на перегоне Онхой - Тальцы произошел сход наливного состава с НиНП и разлив перевозимого груза. Начавшимся пожаром было охвачено 17 восьмиосных цистерн. Горение было ликвидировано в 8 ч 15 мин следующего дня. Масса выгоревших НиНП составила 1 800 т.
14 сентября 1994 г. в 1 ч 58 мин из-за неисправности пути произошел сход наливного состава с дизельным топливом на перегоне Рассоха - Подсменная, в результате которого произошел разлив груза из 2 цистерн и его воспламенение из-за короткого замыкания контактной сети, опоры которой были сбиты. Пожар был потушен в 3 ч 28 мин. Утрата груза составила 550 т. 13 июля 1995 г. в 11 ч в районе ст. Парчум в результате схода цистерны с бензином АИ-76 произошла разгерметизация котла, разлив перевозимой
Пожарная нагрузка - количество горючего вещества, приходящееся на единицу площади его размещения жидкости и пожар. В 17 ч 30 мин горение было ликвидировано силами пожарной охраны. Масса выгоревшего бензина составила 40 т.
17 июля 1996 г. в 1 ч 15 мин на ст. Огневка произошел пожар 2-х цистерн с самолетным топливом. Причина пожара - сход подвижного состава. Пожар был ликвидирован в 2 ч 30 мин, масса выгоревшей жидкости составила 79 т.
26 июля 1996 г. в И ч 10 мин на перегоне Янталь - Паниха из-за неисправности пути произошло крушение грузового поезда с дизельным топливом. При этом с рельсов сошло 16 цистерн (15 восьмиосных и 1 четырехосная) с грузом. В результате короткого замыкания контактной сети, опоры которой были сбиты цистернами, произошло возгорание разлившегося топлива. Площадь пожара составила 15 000 м . В 17 ч 54 мин горение было ликвидировано пожарными формированиями. Потеря груза составила 1 800 т.
24 марта 1999 г. на перегоне Ангасолка - Слюдянка, в 14-ти км от оз. Байкал произошел сход с рельсов двух железнодорожных цистерн, пробой котла одной из них и разлив 35 т сырой нефти. При этом была сбита опора линии электропередач, и в результате короткого замыкания контактной сети нефтяной разлив воспламенился. Максимальная площадь пожара составила 350 м . В течение времени свободного горения до его ликвидации (2 ч 35 минут) огнем было уничтожено более 32 т нефти.
При горении разливов НиНП в воздух выбрасывается множество ЗВ, прежде всего, оксиды азота, серы, сероводород, сажа, цианистый водород, формальдегид, органические кислоты, пятиокись ванадия, бенз(а)пирен. И" удельная эмиссия при горении НиНП и характеристика экологической опасности представлены в табл. 1.2. Из нее видно, что количество выбрасываемых ЗВ при горении НиНП увеличивается в направлении от легколетучих нефтепродуктов к нефти.
Описание и усовершенствование математической модели распространения и трансформации загрязняющих веществ
Газофазное окисление диоксида серы учитывается в модели реакциями R6, R77, R93, R115, R116, R134, R135, R137-R141, R143, R147-R152, R156, оксидов азота - реакциями R7 - RIO, R25, R26, R28 - R31, R51, R62, R70, R72, R79, R89, R91, R117, R130, R136, R155 (см. Прил. 1). Образование серной кислоты происходит по реакции R153.
Характерной особенностью реакций газофазного окисления оксидов азота является то, что некоторые из них носят циклический характер и по существу не приводят к выведению оксидов азота из воздуха. В результате реакций R5, R24, R27, R29, R32 - R34 устанавливается равновесное состояние между озоном, оксидом и диоксидом азота, характерное для данного уровня солнечного освещения. Азотная кислота образуется по реакциям: R28, R38, R62, R89.
Фотохимические процессы играют важную роль в образовании радикалов. Так, с наступлением темноты прекращаются реакции R1 - R4, R22, R27, R31, R34, R40, R41, R43, R46, R48, R49, R55, R56, R59, R60, R88, R97, R128, R138 -R141, R143, R147 и др. Поэтому окисление соединений серы и азота ночью может быть обусловлено только молекулярными реакциями, которые проходят существенно медленнее, чем радикальные [55].
Известные теоретические и экспериментальные исследования свидетельствуют о том, что в многочисленных процессах атмосферной фотохимии важную роль играют водородные радикалы [37], наиболее реакционоспособным из которых является гидроксильный НО [51]. Он участвует в окислении оксидов азота и серы в азотную и серную кислоты (R25, R28, R42, R149, R153, R154), а также инициирует окисление СО, ( С2Н6, С3Н8, СН3СНО, СН3ОН, CH3SCH3, С3Нб и др. (R47, R57, R65, R71, R74, R82, R83, R87, R99, R101, R105, R125, R129). Генерация радикала НО в тропосфере в основном происходит в результате реакции R3. Атомы O( D) появляются в результате фотолиза (R1), поэтому скорость генерации НО сильно зависит от облачности, рассеивающей солнечную радиацию. Образование НО происходит также при взаимодействии 0( ) с метаном (R48). Радикалы Н02 образуются по реакциям R14, R23, R45, R46, R58, R64, R66, R68, R75, R76, R85, R131, R154.
Газофазные фотохимические стоки Н0Х в тропосфере связаны с реакциями, в которых образуются молекулы воды (R18, R23, R57). Вместе с тем ее наличие приводит к возрастанию роли гетерогенных процессов в деструкции «нечетного» водорода [36]. Это, в частности, означает, что процессы вымывания ряда соединений, образующихся при участии НО и Н02 в газовой фазе (R19, R28), являются стоком для семейства НОх.
В связи с тем, что при горении НиНП в воздух выбрасываются специфичные ЗВ, представляется необходимым учесть и их химическую трансформации. В работах [104,106,107,114] химический блок модели В.К. Аргучинцева и В.Л. Макухина [12, 66] был дополнен нами реакциями трансформации цианидов, проблеме которых в настоящее время в мире уделяется большое внимание и которые представляют повышенную опасность для экосистемы оз. Байкал (см. п. 1.2). Исследование распространения цианидов в воздухе Южного Байкала ранее не проводилось.
Добавленные в химический блок реакции были взяты из работ В.И. Веденеева, В.Н. Кондратьева, R. Atkinson, D.L. Baulch, R.A. Сох, L. Нао, J. Norman, S.P. Sander и др. [24, 28, 61, 133 - 135, 139,145,151, 155,161]. В литературе было найдено более 100 газофазных реакций с цианидами, однако по многим из них не установлены продукты и константы скорости. Мы дополнили химический блок модели 22 реакциями (табл. 2.1).
Как показывает анализ химических превращений цианидов, поведение их в воздушной среде разнообразно. Попав в воздух, они трансформируются в кислоты, щелочи, соли, образуют более сложные формы цианистых соединений (ацетонитрил, дициан, трициан и др.). Взаимодействия HCN с фотоном света (реакция А1, см. табл. 2.1), активным кислородом (А2 - А4), гидроксильным радикалом (А5 - А7) приводят к его деструкции. Продукт распада HCN - циан-ион CN - выводится из атмосферы при взаимодействии с молекулярным (А 13, А14) и активным кислородом (А 10, АН), гидроксильным радикалом (А 15) и оксидом азота (А 17 - А19).
Разработка методики прогнозной оценки экологической опасности аварийных залповых выбросов
Приведенные в главах 1 - 3 обзор литературы и результаты исследований позволяют констатировать, что в современных условиях стремительного увеличения объемов перевозок НиНП и неуклонного старения парка нефтеналивных цистерн необходимо предпринимать активные действия по предупреждению возникновения аварийных залповых выбросов, созданию благоприятных условий для эффективного реагирования и смягчения их неблагоприятных экологических последствий. Решать данную задачу особенно важно на охраняемых природных территориях, таких как Байкальский регион.
Реализовывать превентивные меры по снижению экологической опасно сти транспортировки НиНП выгоднее и с точки зрения экономических затрат, и с точки зрения защиты окружающей природной среды, и с точки зрения сохранения человеческих жизней. Но для этого превентивные меры должны быть эффективными, то есть должны быть направлены на приоритетные цели и реализованы своевременно.
На современном этапе в практической деятельности органов ГО и ЧС регионов и филиалов ОАО «Российские железные дороги» реализуется только механизм устранения выявленных недостатков. Разработка превентивных мер, направленных на снижение экологических последствий залповых выбросов, которые могут произойти в будущем, на сегодняшний день практически не ведется. Последнее, по-видимому, вызвано малым количеством адекватных прогностических моделей, недостаточным объемом проведенных исследований, дефицитом соответствующих специалистов. В свою очередь, это вызывает неуверенность руководителей в целесообразности проведенні; прогнозных оценок и обуславливает недостаточное финансирование данного направления. Поэтому целенаправленная работа по совершенствованию принципов разработки превентивных мер и наработке практического опыта их реализации является очень важной и перспективной.
Нами предлагается Стратегия снижения экологической опасности перевозки НиНП по железной дороге. На рис. 4.1 представлена структурная схема данной Стратегии, суть которой состоит в следующем.
На первом этапе производится мониторинг, состоящий в сборе статистической информации о состоянии технических средств железной дороги и происшедших авариях, механизм которого в настоящее время хорошо отлажен и успешно используется.
На втором этапе собранная информация анализируется, а на третьем этапе по результатам данного анализа разрабатываются мероприятия по устранению выявленных недостатков.
На четвертом этапе производится анализ причин аварий и делаются прогнозные оценки их количества, мест и времени возникновения.
На пятом этапе на основе информации о наиболее вероятных временных периодах и местах возникновения аварий прогнозируются их экологические последствия. Данный этап предполагает проведение прогнозных оценок степени загрязнения 1) воздуха в результате залповых выбросов, 2) водныл ресурсов и земель при разливах НиНП, 3) уничтожения биологических ресурсов (в том числе лесных массивов), 4) засорения (повреждения) территории обломками технических средств, оборудования и т.п.
