Уровни загрязнения водного объекта при аварийном сбросе химически опасных веществ

В результате аварии с разгерметизацией емкостного оборудования или трубопровода в водотоки (реки, рукава и каналы) могут поступать химически опасные вещества, что может повлечь за собой загрязнение воды. МЧС России разработало методику прогнозной оценки загрязнения открытых водоисточников аварийно химически опасными веществами в аварийных ситуациях[1], которая позволяет прогнозировать концентрацию загрязняющих веществ, оказавшихся в воде в результате аварии. Аварийный сброс загрязняющих веществ в водный объект означает крупнотоннажное поступление в него химических веществ в результате различных аварий: транспортных аварий с автомашинами и железнодорожными вагонами, разрывов нефте- и продуктопроводов и т.д.

Методика рассчитана на прогнозирование последствий лишь тех аварий, в результате которых создается либо высокое (более 10 ПДКвод), либо экстремально высокое (более 100 ПДКвод) загрязнение воды. Такие высокие уровни загрязнения делают воду непригодной для водопользования.

Методика позволяет производить расчеты основных параметров зон аварийного загрязнения водных объектов:

  • • времени, через которое центр зоны загрязнения достигнет заданного створа водного объекта ?тах, ч;
  • • максимального значения концентрации загрязняющего вещества в заданном створе Стах, мг/л;
  • • продолжительности прохождения высоких и экстремально высоких концентраций загрязняющего вещества Свз, мг/л, через заданный створ Д?3, ч.

Чтобы выполнить расчет этих параметров, необходимы следующие исходные данные:

  • а) гидрологические характеристики водного объекта:
    • • длина расчетного участка водотока L, км,
    • • средняя ширина В, м, и средняя глубина Я, м, расчетного участка водотока,
    • • коэффициенты шероховатости пш, пЛУ расчетного участка,
    • • расход воды Q, м3/с, либо средняя скорость течения воды w, м/с, на расчетном участке водотока;
  • б) параметры, характеризующие аварию и опасное химическое вещество:
    • • продолжительности аварийного сброса ?0, ч,
    • • объем аварийного сброса W, м3,
    • • концентрация загрязняющего вещества Са, мг/дм3, в аварийном сбросе,
    • • плотность вещества р, кг/м3,
    • • коэффициент скорости самоочищения воды К, сут-1;
  • в) требования к качеству воды водного объекта в пунктах водопользования.

Методология расчета различается для АХОВ двух типов, температура кипения которых:

  • а) выше 0°С — для данных веществ в основу расчета положены теоретические положения о разбавлении и самоочищении загрязняющего вещества;
  • б) ниже 0°С — для АХОВ данного типа дополнительно учитывается их испарение в момент разгерметизации емкости и в начальный период смешения с водой. При этом необходимо иметь в виду, что над поверхностью водного объекта может образоваться облако загрязненного воздуха.

Итак, для выполнения прогноза обстановки после аварийного поступления в водоток АХОВ необходима следующая информация:

  • а) время начала и окончания аварийного сброса;
  • б) общий объем сброшенных (сбрасываемых) в водный объект опасных химических веществ;
  • в) основные гидрологические и метеорологические характеристики на период прогноза обстановки;
  • г) средняя глубина водотока по направлению возможного распространения загрязненных масс воды.

Дадим определение основных понятий:

  • водозабор — забор воды из водного объекта для удовлетворения народнохозяйственных нужд;
  • водоток — водный объект, характеризующийся движением воды в направлении уклона в углублении земной поверхности. К основным видам водотоков согласно классификации по ГОСТ 17.1.02—77 «Охрана природы. Гидросфера. Классификация водных объектов» отнесены реки, рукава, каналы;
  • гидравлические характеристики водного потока — геометрические размеры и основные кинематические и динамические величины, характеризующие условия течения: ширина, глубина, площадь поперечного сечения, расход воды, скорость течения, шероховатость русла и т.д.;
  • гидрологические характеристики водного объекта — количественные оценки элементов гидрологического режима и морфологических особенностей речных бассейнов (характерные расходы и уровни воды, направление и скорость поверхностных и глубинных течений, данные об уклонах, химическом составе вод, ледовых явлениях и т.д.);
  • гидрологический режим — закономерные изменения состояния видного объекта, его гидрологических характеристик. Проявляется в виде многолетних сезонных и суточных колебаний уровня и расхода воды, ее температуры, состава и концентрации растворенных веществ, ледовых явлений, и т.п. Характеристика гидрологического режима водного объекта помещается в лоциях, справочниках и т.д.;
  • консервативное вещество — вещество, не претерпевающее изменений в воде за счет химических и гидробиологических процессов. Уменьшение концентрации консервативных веществ в воде водотока происходит только в результате разбавления;
  • коэффициент скорости самоочищения — показатель, характеризующий время, необходимое для уменьшения концентрации вещества до определенного уровня за счет химических, гидробиологических и других подобных процессов, происходящих в водных объектах;
  • коэффициент Шези — один из важнейших параметров водотока, учитывающий влияние на скорость течения воды шероховатости берегов и дна, формы и размеров русла. Для определения коэффициента Шези используются различные эмпирические формулы, каждая из которых имеет свою сферу применения;
  • коэффициент шероховатости русла пш величина, численно характеризующая сопротивление, оказываемое руслом протекающему в нем потоку;
  • коэффициент шероховатости льда пл величина, численно характеризующая сопротивление, оказываемое потоку нижней поверхностью льда;
  • ледостав — период, в течение которого наблюдается неподвижный ледяной покров на водном объекте;
  • неконсервативное вещество — вещество, концентрация которого в воде уменьшается как за счет разбавления, так и за счет химических и гидробиологических процессов;
  • створ — условное поперечное или продольное сечение водотока либо водоема (поперек или вдоль перемещения водных масс), в котором производится комплекс работ для получения гидрологических, гидрохимических и других данных о водном объекте.

Шаг 1. Определение времени подхода зоны загрязнения с максимальной концентрацией АХОВ к заданному створу. Прогноз времени подхода зоны загрязнения с максимальной концентрацией АХОВ к заданному створу водотока определяется по формуле

где ta — время добегания речной воды от места аварии до заданного створа, ч; ?0 — продолжительность сброса АХОВ в реку, ч.

Расчет ?д выполняется по формуле

где L — длина расчетного участка реки, км; w — средняя скорость течения воды на расчетном участке, м/с.

Если вместо значения средней скорости течения реки на участке задан расход воды Q, м3/с, то ориентировочное значение средней скорости течения воды определяют из соотношения

где В — средняя ширина расчетного участка реки, м; Я — средняя глубина расчетного участка реки, м.

Аналогичным образом определяется значение расхода воды по заданной средней скорости течения:

Шаг 2. Расчет максимального значения концентрации АХОВ. Максимальные концентрации АХОВ в заданном створе водотока Стах, мг/л, рассчитываются по формуле

где С.л — концентрация АХОВ в аварийном сбросе, мг/л; (/ — безразмерный коэффициент, учитывающий поперечную дисперсию (диффузию в поперечном направлении) загрязняющего вещества в потоке; 0 — безразмерный коэффициент, учитывающий продольную дисперсию загрязняющего вещества в водотоке; е — безразмерный коэффициент, учитывающий неконсер- вативность загрязняющего вещества.

Для случая, когда концентрация АХОВ в аварийном сбросе не задана (поступление в водоток неразбавленного вещества), расчет Са выполняется по соотношению

где р — плотность загрязняющего вещества, кг/м3.

Расчет коэффициента у производится но формуле

где q — объемная скорость поступления АХОВ в водоток, м3/с; ф — коэффициент, учитывающий смешение АХОВ в массе водного потока. Значения коэффициента ф в зависимости от удаления и размера водотока приведены в табл. 6.36; Q — расход воды в водотоке на расчетном участке выше места сброса АХОВ.

Таблица 6.36

Ориентировочные значения коэффициента ф для водотоков

Расстояние от места сброса до заданного створа, км

Ф при расходе воды Q, м3

< 10

10-100

>100

10-20

0,8

0,5

0,2

21-30

1,0

0,7

0,3

31-40

1,0

0,9

0,4

41-50

1,0

1,0

0,5

51-60

1,0

1,0

0,6

61-70

1,0

1,0

0,7

71-80

1,0

1,0

0,8

81-90

1,0

1,0

0,9

Величина расхода поступающего в реку АХОВ q определяется по выражению

где V — объем АХОВ, поступившего в реку, м3; ?0 — продолжительность поступления АХОВ в реку, ч; к — безразмерный коэффициент, учитывающий испарение АХОВ в начальный период развития аварии (учитывается только для АХОВ, кипящих ниже 0°С, в остальных случаях принимается равным единице). Ориентировочные значения коэффициента к для наиболее распространенных АХОВ приведены в табл. 6.39.

Расчет безразмерного коэффициента 0, учитывающего продольную дисперсию загрязняющего вещества в водотоке, производится по формуле

где Z — безразмерный коэффициент, определяемый по соотношению

где D — коэффициент продольной дисперсии, м2/с.

Коэффициент продольной дисперсии D, зависящий от морфологических и гидравлических параметров расчетного участка, определяется следующим образом:

  • а) сначала рассчитывается коэффициент продольной дисперсии, приведенный к средней скорости течения реки, равной 1 м/с;
  • б) далее для открытого водотока (свободного ото льда) с помощью табл. 6.37 определяется численное значение коэффициента шероховатости расчетного участка пш. Затем исходя из заданного значения средней глубины Я расчетного участка по табл. 6.38 находится численное значение коэффициента продольной дисперсии, приведенное к средней скорости течения w - 1 м/с.

Коэффициент неконсервативности загрязняющего вещества е определяется по формуле

где К — суммарный коэффициент скорости самоочищения загрязняющего вещества, сут-1. Численные значения коэффициента К для некоторых АХОВ приведены в табл. 6.40; ?д — определенное по (6.79) время добега- ния речной воды от места аварии до заданного створа, ч. Для консервативных АХОВ, а также для неконсервативных веществ при отсутствии данных о скорости самоочищения воды значение коэффициента е принимается равным единице.

Шаг 3. Прогноз продолжительности прохождения высоких и экстремально высоких концентраций аварийно химически опасного вещества в заданном створе водотока. Продолжительность прохождения высоких и экстремально высоких концентраций АХОВ в заданном створе реки АГ3, ч, определяется по соотношению

где t0 — продолжительность поступления АХОВ в водоток, ч; Z— параметр, определяемый по (6.88); Сю — установленный (прогнозируемый) уровень высокого (более чем 10 ПДКвод) или экстремально высокого (более чем 100 ПДКП0Л) загрязнения, мг/л; Стях максимальное значение концентрации АХОВ в заданном створе, мг/л.

Момент прохождения переднего фронта t^v зоны загрязнения через заданный створ следует определять по формуле

а момент прохождения хвостовой части tXB зоны высокого или экстремально высокого загрязнения — по формуле

Соответственно, продолжительность прохождения «пятна загрязнения»

^ ~ ^хв ^фр*

В целях упрощения будем рассматривать аварию с проливом АХОВ в водоток только в теплый период года, вне ледостава.

На первом этапе по (6.79) вычисляется время подхода «пятна загрязнения» с максимальной концентрацией. Затем по соотношению (6.85) следует рассчитать коэффициент поперечной диффузии /.

Далее для расчета максимальной концентрации АХОВ в заданном створе необходимый параметр q находится по соотношению (6.86). Учитывая, что АХОВ всех рассматриваемых вариантов индивидуальных заданий кипят выше 0°С, коэффициент к = 1,0 (испарение при кипении не учитывается).

Следуя методологии расчета, определяются параметры:

  • пш (табл. 6.37);
  • D (табл. 6.38).

Для определения коэффициента продольной дисперсии 0 найденное значение D умножается на фактическую среднюю скорость течения воды w, м/с.

Необходимость учета неконсервативности данного АХОВ следует уточнить по табл. 6.40.

Внимание! Величину максимальной концентрации АХОВ в заданном створе в итоговой таблице следует приводить в единицах ПДКвод (см. табл. 6.41).

Практические задания

Отчет о выполнении работы должен содержать:

  • а) исходные данные своего варианта (табл. 6.43);
  • б) ход вычислений;
  • в) результаты расчетов в форме итоговой табл. 6.42.

Таблица 637

Коэффициенты шероховатости пш для открытых русел водотоков

Характер ложа

Тип

ложа

Реки в весьма благоприятных условиях (чистое прямое ложе со свободным течением, без обвалов и глубоких промоин)

Л

0,025

Реки в благоприятных условиях течения

В

0,03

Реки в сравнительно благоприятных условиях, но с некоторым количеством камней и водорослей

С

0,035

Реки, имеющие сравнительно чистые русла, извилистые с некоторыми неправильностями в направлении струй или же прямые, но с неправильностями в рельефе дна (отмели, промоины, местами камни), некоторое увеличение количества водорослей

D

0,04

Характер ложа

Тип

ложа

пш

Русла (больших и средних рек) значительно засоренные, извилистые и частично заросшие, каменистые с неспокойным течением. Поймы больших и средних рек сравнительно разработанные, покрытые нормальным количеством растительности (травы, кустарник)

Е

0,05

Порожистые участки равнинных рек. Галечно-валунные русла горного типа с неправильной поверхностью водного зеркала. Сравнительно заросшие, неровные, плохо разработанные поймы рек (промоины, кустарники, деревья с наличием заводей)

F

0,67

Реки и поймы весьма заросшие (со слабым течением) с большими глубокими промоинами. Валунные, горного типа, русла с бурливым пенистым течением, с изрытой поверхностью водного зеркала (с летящими вверх брызгами воды)

G

0,08

Поймы такие же, как предыдущей категории, но с сильно неправильным течением, заводями и пр. Горно-водопадного типа русла с круп- новалуниым строением ложа, перекаты ярко выражены, пенистость настолько сильна, что вода, потеряв прозрачность, имеет белый цвет; шум потока доминирует над всеми остальными звуками, делает разговор затруднительным

I

0,1

Характеристика горных рек примерно та же, что и предыдущей категории. Реки болотного типа (заросли, кочки, во многих местах почти стоячая вода и пр.) Поймы с очень большими мертвыми пространствами, с местными углублениями, озерами и пр.

j

0,133

Таблица 6.38

Коэффициенты продольной дисперсии Dn , м, приведенные к средней скорости течения 1 м/с, для открытых русел

Глубина Я, м

Dn при коэффициенте шероховатости пш

0,025

0,03

0,035

0,04

0,05

0,067

0,08

0,1

0,133

< 1

2,6

4,3

6,4

9,1

16,3

35,2

56,1

100,8

213,4

2,0

3,6

5,6

8,2

11,2

18,9

37,2

59,8

101,0

215,2

3,0

4,6

7,0

10,0

13,6

22,5

42,0

63,0

105,0

220,6

4,0

5,5

8,4

12,0

16,2

26,8

50,9

74,3

118,3

225,9

5,0,

6,5

9,9

14,2

19,2

31,8

60,8

89,2

142,8

255,4

6,0

7,5

11,5

16,6

22,6

37,7

73,0

107,9

174,9

318,2

7,0

8,6

13,3

19,2

26,3

44,5

87,6

131,0

215,8

402,0

8,0

9,7

15,2

22,1

30,6

52,3

95,0

159,3

267,3

511,9

9,0

10,9

17,2

25,3

36,3

61,3

105,7

193,6

331,8

654,9

10,0

и более

12,2

19,4

28,8

40,5

71,5

130,3

235,1

412,0

840,0

Ориентировочные значения коэффициентов к, учитывающих испарение некоторых низкокипящих АХОВ в начальный период их смешивания

с водой

Наименование

АХОВ

Температура кипения, °С

Плотность жидкого АХОВ, т/мЗ

Значения к при температуре воды

о°с

10°С

20°С

Аммиак

-33,4

0,68

0,77

0,56

0,42

Водород бромистый

-65,6

1,49

0,90

0,89

0,87

Водород хлористый

-85,0

1,19

0,64

0,58

0,51

Метиламин

-6,5

0,7

0,10

0,09

0,08

Метил хлористый

-23,7

0, 98

0,37

0,36

0,34

Сернистый ангидрид

-10,1

1,46

0,22

0,14

0,10

Сероводород

-60,0

0,96

0,25

0,20

0,15

Формальдегид

-49,0

0,82

0,73

0,71

0,68

Хлор

-34,1

1,56

0,40

0,35

0,30

Таблица 6.40

Ориентировочные значения коэффициентов скорости самоочищения воды Ю от некоторых АХОВ, сут-1

Вещество

или группа веществ

К при температуре

> 15°С

10—15°С

< 10‘С

водоем

ВОДОТОК

водоем

ВОДОТОК

водоем

ВОДОТОК

Аммиак, ионы аммония (по азоту)

0,5

2,7

0,3

1,8

0,2

0,9

Бензин

0,8

2,4

0,05

0,15

0,02

0,06

Гексахлоран

0,0015

0,045

0,001

0,003

0,003

0,009

Кислота адипиновая

0,1

0,3

0,1

0,3

0,03

0,09

Крезол

0,15

0,45

0,1

0,3

0,03

0,09

Медь (в неорганических соединениях)

0,6

1,8

0,4

1,2

0,2

0,6

Метафос

0,015

0,045

0,1

0,3

0,003

0,009

Метилмеркаптан

0,04

0,12

00,3

0,9

0,008

0,024

р-нафтол

0,23

0,7

0,16

0,5

0,15

0,45

Нефтепродукты

0,04

0,3

0,03

0,2

0,007

0,02

Никель (в неорганических соединениях)

0,1

0,3

0,07

0,2

0,03

0,1

1 Использование для прогнозных расчетов коэффициента К целесообразно с того момента, когда Стах в зоне загрязнения воды будет меньше или равна 0,1 Са.

Вещество

или группа веществ

К при температуре

> 15°С

10—15*0

< 10°С

водоем

ВОДОТОК

водоем

водоток

водоем

водоток

Синтетические ПАВ

0,15

0,9

0,1

0,6

0,05

0,3

Фенолы

0,1

0,6

0,08

0,4

0,04

0,2

Формальдегид

1,0

3,0

0,7

2,1

0,2

0,6

Фосфорорганические

пестициды

0,08

0,09

0,06

0,06

0,04

0,04

Хлорорганические

пестициды

0,02

0,02

0,01

0,01

0,01

0,01

Хром (в неорганических соединениях)

0,1

0,3

0,07

0,2

0,03

0,1

Цинк (в неорганических соединениях)

0,2

0,6

0,1

0,3

0,03

0,1

Таблица 6.41

Предельно допустимые концентрации, мг/л, некоторых АХОВ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого водопользования согласно ГН 2.1.5.1315—03. Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно- бытового водопользования

Вещество или группа веществ

ПДК„, мг/л

Акролеин

0,01

Аммонийный ион

2,0

Алюминий (в неорганических соединениях)

0,5

Ацетонитрил

0,7

Барий (в неорганических соединениях)

0,1

Бензол

0,5

Бериллий (в неорганических соединениях)

0,0002

Бром,бромиды

0,2

Винилхлорид

0,05

Висмут (в неорганических соединениях)

0,1

Гексахлоран

0,02

Гептил

0,02

Диметиламин

0,1

Кадмий (в неорганических соединениях)

0,001

Керосин технический

0,01

Кобальт (в неорганических соединениях)

0,1

Вещество или группа веществ

ПДК„, мг/л

Крезол

0,004

Медь (в неорганических соединениях)

1.0

Метилизоцианат

0,1

Метилмеркаптан

0,0002

Метилметакрилат

0,01

Мышьяк (в неорганических соединениях)

0,05

Нефть прочая

0,3

Никель (в неорганических соединениях)

0,1

Нитраты (по NC)3)

45,0

Нитриты (по N02)

3,3

Нитробензол

0,2

Ртуть (в неорганических соединениях)

0,0005

Свинец (в неорганических соединениях)

0,03

Стирол

0,1

Сурьма (в неорганических соединениях)

0,05

Таллий (в неорганических соединениях)

0,0001

Фенол

0,001

Формальдегид

0,05

Фтор, фториды

1,5

Хлорбензол

0,02

Хлороформ

0,06

Хром (Сг3+ в неорганических соединениях)

0,5

Хром (Сг6* в неорганических соединениях)

0,05

Цианиды (по CN)

0,1

Цинк (в неорганических соединениях)

1,0

Эпихлоргидрин

0,01

Таблица 6.42

Итоговая таблица прогнозных параметров

Расстояние до заданного створа, км

Наименование

АХОВ

Время подхода зоны загрязнения с максимальной концентрацией, ч

Максимальное значение концентрации АХОВ в заданном створе, ед. ПДКШд

Продолжительность прохождения зоны высоких и экстремально высоких концентраций, ч

Индивидуальные варианты исходных данных

№ варианта

Характеристика аварийного сброса

Характеристика водотока

Наименование АХОВ

Объем аварийного сброса W, м3

Продолжительность

сброса ?(), ч

Концентрация АХОВ

в сбросе С.Л, мг/л1

Расстояние до заданного створа L, км

Тип

ложа

Средняя ширина водотока В, м

Средняя глубина водотока Я, м

Скорость течения воды w, м/с

Температура воды, °С

1

Анилин

20

1,5

510

33

в

24

3,2

2,1

5

2

Висмут

32

2,9

320

41

Е

115

5,0

1,8

20

3

Нефть малосернистая

12

0,4

II

О

Ъ

со

18

А

18

2,2

2,4

14

4

Ртуть (в неорганических соединениях)

15

1,2

104

77

F

86

5,1

2,2

15

5

Теллур (в неорганических соединениях)

5

0,8

228

50

G

30

1,8

1,3

И

6

Медь (в неорганических соединениях)

23

U

447

42

С

35

2,5

3,0

8

7

Диметиламин

11,5

2,0

630

38

D

44

4,1

1,9

21

8

Бензол

84

7,3

р = 0,88

49

А

61

2,7

1,8

6

9

Нитробензол

9

0,5

1044

19

Е

19

3,4

2,4

10

10

Цианиды

0,9

0,1

774

28

J

35

2,0

2,1

12

11

Сг 3+ (в неорганических соединениях)

14

3,0

98

41

В

54

4,3

2,0

7

12

Сг 6+ (в неорганических соединениях)

16

1,8

222

19

I

89

5,7

3,1

11

1 Если вместо значения Са приведена плотность АХОВ, это означает, что в водоток попадает чистое вещество.

№ варианта

Характеристика аварийного сброса

Характеристика водотока

Наименование АХОВ

Объем аварийного сброса W, м3

Продолжительность сброса ?(), ч

Концентрация АХОВ в сбросе Са, мг/л1

Расстояние до заданного створа L, км

Тип

ложа

Средняя ширина водотока В, м

Средняя глубина водотока Н, м

Скорость

течения

ВОДЫ W,

м/с

Температура воды, °С

13

F+

33

4,6

541

56

G

119

4,0

2,5

19

14

Крезол

4

0,45

р = 1,0

21

Е

96

1,6

1.4

9

15

Свинец (в неорганических соединениях)

11

2,3

804

30

J

47

3,4

3,5

13

16

Мышьяк (в неорганических соединениях)

1,4

0,9

711

35

F

63

4,8

3,1

И

17

Керосин

4,8

6,4

р = 0,78

17

Л

20

2,4

1,9

14

18

Кадмий (в неорганических соединениях)

2,7

1,0

449

28

I

24

3,1

2,9

5

19

Вг+

6,2

2,1

333

58

G

47

1,9

2,4

7

20

Висмут (в неорганических соединениях)

4,3

1,3

687

80

С

123

4,7

2,6

20

21

Ацетонитрил

10,4

3,5

98

22

В

63

3,5

3,1

13

22

Фенол

12,4

1,7

116

44

F

29

1,9

1,2

11

23

Кадмий (в неорганических соединениях)

4,1

0,8

228

63

G

62

3,8

2,9

10

24

Бериллий (в неорганических соединениях)

5,7

4,3

225

36

D

47

4,1

4,0

19

25

Нефть малосернистая

54

11,2

р = 0,92

51

./

32

3,2

1,9

21

  • [1] Методика прогнозной оценки загрязнения открытых водоисточников аварийно химически опасными веществами в аварийных ситуациях. М.: МЧС России, 1992.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >