Анализ и управление техногенными рисками уничтожения химического оружия с отравляющими веществами

Канд. техн. наук А. Ф. Грибов канд. экон. наук Ю. А. Лыкова

АНАЛИЗ И УПРАВЛЕНИЕ ТЕХНОГЕННЫМИ РИСКАМИ УНИЧТОЖЕНИЯ ХИМИЧЕСКОГО ОРУЖИЯ С ОТРАВЛЯЮЩИМИ

ВЕЩЕСТВАМИ

Рассматриваются методы оценки рисков, возникающих у населения и персонала, работающего по уничтожению химического

оружия, а также подходы по обоснованию рискоснижающих мероприятий с использованием экономических критериев.

Проведение широкомасштабных работ по утилизации отходов промышленных производств и уничтожению запасов химического оружия, как правило, сопровождается ростом потенциальной угрозы для здоровья и жизни людей, окружающей природной среды.

Особо опасными являются работы, связанные с уничтожением боеприпасов, содержащих иприт и люизит. Это чрезвычайно агрессивные вещества, способные легко проникать практически через любые ткани средств индивидуальной защиты и вызывать необратимые последствия для здоровья человека даже при малых дозах воздействия.

Анализ технологии уничтожения боеприпасов, снаряженных ипритно-люизитными смесями, изучение их характеристик, поражающих свойств и механизмов токсического действия позволяют заключить, что в случае утечки данных отравляющих веществ (ОВ) или аварии, связанной с их выбросом в атмосферу, значительный ущерб может быть нанесен:

- окружающей природной среде (ипритно-люизитные смеси токсичны для растений и почвы, оказывают влияние на протекание химических процессов в атмосфере, изменяют естественный материальный баланс водной среды);

- работникам предприятия и населению, проживающему на прилегающей к предприятию территории (ипритно-люизитные смеси являются универсальным клеточным ядом, поражающим при отравлении все ткани, органы и системы организма);

- материально-технической базе производства (нарушение технологии утилизации боеприпасов может вызвать взрыв химического реактора, что приведет к повреждению или утрате основных фондов предприятия).

В этой связи особую актуальность приобретают исследования в области оценки и управления рисками уничтожения химического оружия, связанные с оценкой индивидуального и социального риска в случае аварии и разработкой мероприятий, позволяющих снизить риск до нормативного уровня.

Оценка риска для работников предприятия и населения, проживающего в непосредственной близости от места аварии, может быть произведена на основе моделей «доза-эффект», определяющих отрицательный эффект для здоровья человека в зависимости от дозы воздействия ОВ. При этом для оценки вероятностей того или иного отрицательного эффекта для здоровья реципиен-

та в случае малых и средних доз воздействия ОВ обычно используются экспертные методы в сочетании с методами теории риска.

Центральной характеристикой при расчете уровня риска, согласно данному подходу, является полученная реципиентом доза риска (intake), т. е. усредненное количество химического вещества, попадающего в организм человека в среднем за день (в мг на 1 кг веса). Оно определяется по следующей формуле:

I = р • CR • EFD

BW • AT '

где р - концентрация химического вещества в среде;

CR - объем носителя химического вещества, контактирующего с организмом человека в течение дня;

EFD - продолжительность периода контакта, обычно рассчитываемая с использованием двух характеристик: EF - частоты воздействия, дней/год; ED - продолжительности воздействия, лет;

BW - вес тела, кг;

AT - продолжительность усредненного периода, дни.

В практических расчетах в выражении (1) учитывают специфические особенности контакта человеческого организма с загрязненной средой. В частности, в случае краткосрочного контакта для оценок дозы химического вещества, попавшего в организм человека при дыхании в загрязненном воздухе, используется следующее выражение:

рВ • IR • ET

I =

BW

3.

где рВ - средняя концентрация загрязнителя в воздухе, мг/м

1Я — объем вдыхаемого воздуха в течение часа, м3/ч;

ЕТ - продолжительность контакта, ч.

Данное выражение можно представить в следующем виде:

I =

BW

где р - средняя концентрация загрязнителя в воздухе, которая формируется за время Т;

У(Т) - объем воздуха, вдыхаемого человеком за время Т.

Средняя концентрация загрязнителя в воздухе, сформировавшаяся за время Т, в свою очередь рассчитывается по формуле

Т

_ \ р

р = ^-.

Т

Таким образом, для того чтобы определить дозу химического вещества, поглощаемую реципиентом риска, необходимо знать концентрацию данного вещества в окружающей среде и время его воздействия на человека. Для персонала, работающего в загрязненном помещении, эти дозы непосредственно измеряются. Однако для того чтобы определить дозу, поглощаемую населени-

ем в случае аварии, необходимы соответствующие расчеты, основанные на данных о распределении концентрации ОВ на прилегающей к предприятию территории. При сценариях аварий, связанных с выбросом газообразного загрязнителя и дальнейшим его распространением вокруг источника выброса, оценка концентрации загрязнителя может быть произведена с использованием модели сложного турбулентного течения неизотермически тяжелого газа.

Первый блок модели представляет собой полную систему нестационарных уравнений Навье-Стокса распределения газа в поле силы тяжести, которые отражают закон сохранения массы, импульса и энергии. Приведем общий вид этой системы без комментариев.

Уравнения закона сохранения массы:

дп + ^у(та) = 0;

дг

^^ + пир) = div(пkgradp).

дг

Уравнения закона сохранения импульса:

дпих + div(пux) = div( пkgradux) - дР ;

дг дх

дпииу + ^(пиу) = div(пkgraduy) - дР ;

дг ду

дпиг + div(пuz) = div(пkgraduz) - дР - лg. дг дг

Уравнения закона сохранения энергии:

дпН + ^(пЯ) = div(пkgradЯ) - дР .

дг дг

Для данных уравнений р = р (х, у, г, г) - концентрация загрязнителя в момент г после выброса в точке пространства с координатами х, у, г относительно источника выброса.

Все остальные параметры также рассматриваются как функции этих четырех параметров:

п - плотность газовоздушной смеси;

и - скорость выброса, их, иу, иг - ее проекция по осям х, у, г соответственно;

Р - давление;

к - турбулентная вязкость;

Н - энтальпия;

g - ускорение свободного падения;

div - дивергенция;

grad - градиент.

Распределение концентрации загрязнителя вне зоны действия сил выброса подчиняется закону Гаусса, описываемому уравнением, представляющим собой второй блок модели:

У2

р (х, У, 2, 0 =

М(0

12стУ

2 п и о

а у 4 2х

( 2-Й 0)2

(2+Й о)2

2о2

1 2 2 +1 2 2

,

где х - расстояние от рассматриваемой точки пространства до источника выброса;

х У и х 2 - величины продольного и поперечного смещения виртуального источника выброса, соотнесенного к определенной точке на границе облака в вертикальной плоскости, относительно реального источника;

2 2

оу и о2 - продольные и поперечные дисперсии распределения загрязнителя в соответствующих точках пространства;

Й0 - высота расположения виртуального источника (она равна высоте выброса);

иа - скорость ветра на высоте г;

М(() - масса загрязнителя, соотнесенная к виртуальному источнику в момент времени t.

Воспользуемся уравнением (5) для получения распределения концентрации ОВ и оценки риска для проживающего на прилегающей к химически опасному объекту территории населения в случае аварии.

Наиболее вероятной причиной аварии является разгерметизация жидкостного трубопровода в результате нарушения герметичности одного из фланцевых соединений. В целях упрощения анализа предположим, что вероятность выхода из строя одного из фланцевых соединений равна 0,15, в этом случае интенсивность массы утечки ОВ в атмосферу составляет примерно

594,317 • 103 мг/с (при I < 300 с) и 594317 • е-2190-65910_6('-300) мг/с (при t > 300 с). С учетом значения g (¿) можно найти испаряющуюся в атмосферу массу загрязнителя М(^) в каждый данный момент времени: М(^) = g(t) • t, что в свою очередь на основе выражения (5) позволит построить распределение концентрации ОВ (р) в зависимости от расстояния до источника выброса (х).

22

Для этого примем величины ху и х2 равными нулю, оу и о2 — единице, предположим, что иа = 3 м/с, а Й 0= 10 м, и зафиксируем величины у, г и t на

уровне у = 40 м, г = 1 м, t = 0,5 ч. С учетом заданных значений указанных параметров получим следующее выражение, описывающее зависимость концентрации ОВ (р) от расстояния до источника выброса (х):

211279694• е 2х •

р

6 • п • х

-1600

-81

-121

График, соответствующий этой зависимости, приведен на рис. 1.

О х +000

Рис. 1. Двумерный график распределения концентрации ОВ

На основе уравнений (3), (4) и полученного распределения концентрации ОВ можно рассчитать величину дозы ОВ, поглощаемую человеком в каждой точке пространства прилегающей к химически опасному объекту территории. Для значений Т = 30 мин, У(Т) = 0,42 м3, БЖ = 70 кг получим:

- 1600 - 81 - 121

„ ч 2420 • е 2 х • (е 2х + е 2 х ) .

I

п • х

График, соответствующий выражению (7), представлен на рис. 2.

О к 4000

Рис. 2. Изменение поглощаемой дозы ОВ

Зависимость между полученной дозой ОВ и произведенным эффектом определяется с помощью характеристики, называемой slope factor (SF). Slope factor представляет собой коэффициент пропорциональности между полученной дозой и реакцией человека (усредненной по множеству людей, ее получивших), которая в свою очередь рассматривается как вероятность смерти в течение жизни вследствие данного воздействия. Таким образом, slope factor выражает величину риска, нормированную по дозе:

Slope factor = risk/dose, в mg / (kg • day)'1.

Выражение, отражающее зависимость вероятности летальных исходов для индивидуума от расстояния до источника выброса ОВ, полученное на основе формулы (7) с учетом значения SF для ипритно-люизитных смесей, имеет следующий вид:

-1600

P( x) =

35090 • e

(e

-81

2 x

+ e

-121 2 x

)

2

П • X

Соответствующий график приведен на рис. 3.

2

X

Рис. 3. График изменения вероятности летальных исходов для индивидуума по мере удаления от источника выброса ОВ

При оценке рассмотренных зависимостей на практике необходимо учитывать, что на вероятность токсического поражения человека, кроме расстояния, влияет также целый ряд случайных факторов, характеризующих главным образом внешние природные условия. Определяющими среди них являются стратификация атмосферы, направление и скорость ветра. Учет влияния этих факторов обычно осуществляется путем введения функции -Р(ф., V), которая

характеризует вероятность реализации ветра /-го направления со скоростью V (обычно для 8- или 16-румбовой розы ветров). Использование этой функции позволяет определить распределение социального риска на прилегающей к химически опасному объекту территории в виде круга вероятного поражения, который разбивается на элементарные площадки, образуемые румбами розы ветров и концентрическими окружностями с шагом радиуса 200 м. В каждой элементарной площадке с учетом функции Р(ф, V) определяется величина риска, что позволяет построить матрицу интегрального поля потенциального риска.

Предположим, что для 8 румбов функция Р(ф, V) принимает следующие значения, начиная с северного сектора:

Р = (0,063; 0,125; 0,156; 0,188; 0,25; 0,1; 0,125; 0,083).

Уровни риска через каждые 200 м, начиная с отметки 200 м от места аварии, в соответствии с графиком (рис. 3) будут иметь следующие значения: Я = (0,0079563, 0,016659, 0,015097, 0,012056, 0,0095437).

Матрица интегрального поля потенциального риска для прилегающей к химически опасному объекту территории Р Я, сформированная для этих данных, определяется выражением (9) и имеет вид:

200 м

400 м

600 м

800 м

1000 м

С

СВ

В

ЮВ Ю ЮЗ З

5,012 • 10"

9,945 1,241 1,496 1,989 7,956 9,945

10" 10-

1,05 • 10 2,082 • 102,599 • 10-

-3 -3

10 3 3,132 • 10 3

-3 -3

10 3 4,165 • 10 3

10-4 1,666 • 10-3

9,511 • 10

1,887 2,355 2,838

10

10

2,082 • 10"

3,774 • 10" 1,51 • 10-3 1,887 • 10-

7,595 • 10 4 6,013 • 10 4

10 3 1,507 • 10 3

2,267 • 10" 3,014 • 10-1,206 • 101,507 • 10-

1,193 • 10"

-3 -3 -3

10 3 1,881 • 10 3 1,489 • 10 3

1,794 • 10" 2,368 • 10" 9,544 • 101,193 • 10-

4

-4

4

3

3

3

3

3

3

3

3

3

3

4

4

3

3

3

3

Уровень социального риска для населения, проживающего в зоне возможного воздействия ОВ, может быть оценен на основе следующего выражения [3; 6]:

Я = р N

где N - численность населения,

р - вероятность смерти реципиента, которая рассчитывается по формуле

Р = Я • ^

где Я\ - вероятность реализации аварийного события; - вероятность поражения реципиента. С учетом того что население распределено по территории неравномерно, значение социального риска может быть оценено следующим образом [6]:

Я = Я Е Яъ1 • N ,

где - вероятность поражения реципиента в 7-й зоне местности при /-м

румбе розы ветров;

Nij - численность населения, проживающего в 7-й зоне при/-м румбе.

Для упрощения расчетов значения могут быть заменены усредненной по территории вероятностью. В этом случае получим

Я = Я • Я2 • N.

Для данных, представленных в матрице (9), вероятность Я2 = 0,002 .

Предположим, что вероятность отказа одного из уплотнений опытной установки равна 0,15, тогда вероятность смерти от воздействия поглощенной дозы ипритно-люизитных смесей для населения, проживающего на прилегающей к химически опасному объекту территории, рассчитанная согласно выражению (11), будет равна

Р = 0,002 • 0,15 = 0,0003.

Соответствующие вероятности выхода реципиента на инвалидность, болезни реципиента и благоприятного исхода (Р2, Р3 и Р4), определенные на основе экспертных подходов, представлены в таблице.

Вероятности возникновения определенных эффектов для организма человека, вызванных воздействием ипритно-люизитных смесей

Вероятность смерти реципиента

0,0003 0,0012 0,0144 0,9841

С учетом вероятности смерти, равной 0,0003 для численности населения 20000 человек, величина социального риска составит 6 летальных исходов:

Я = 0,0003 • 20000 = 6.

Для вероятностей других неблагоприятных исходов (инвалидности и заболеваний) при численности населения 20000 человек ожидается 24 случая инвалидности (0,0012-20000 = 24) и 288 случаев заболеваний (0,0144 • 20000 = 288).

Оценим экономический ущерб для этих последствий.

Исходя из того что средняя продолжительность жизни в РФ составляет 62 года, средний возраст населения - 37 лет, а величина ущерба, связанного с преждевременной смертью индивида, оцененная по величине ВВП (год) в расчете на одного человека, равна примерно 5 тыс. у. е. в год, общие потери от смертности населения в результате аварии при данном сценарии будут оцениваться в 750 тыс. у. е. (без учета индексации):

X1 = 6 • 5000 • (62 - 37) = 750000 .

Потери общества от случаев инвалидности и заболеваний оценим по затратам, связанным с жизнеобеспечением пострадавших. Для инвалидов такие затраты обусловлены пенсионным обеспечением и расходами на лечение. При размере пенсии по инвалидности, равной 102 у. е. в месяц, и величине затрат на лечение, составляющей примерно 10 у. е. в день, ущерб, связанный с ростом случаев инвалидности, будет равен 2 млн. 924 тыс. 400 у. е.:

Х2 = 24 • 25 • (102 -12 +10 • 365) = 2924400.

С учетом того что средняя продолжительность болезней, вызываемых воздействием ипритно-люизитных смесей на организм человека, составляет 12 дней, средние потери общества от дня болезни индивидуума в РФ приблизительно равны 17 у. е., а затраты на лечение заболевших составляют примерно 20 у. е. в день, размер ущерба от роста заболеваемости населения составит около 128 тыс. у. е.:

Х3 = 288 • 12 • (17 + 20) = 127872 .

Суммируя полученные оценки ущерба в результате аварии при проведении технологического процесса утилизации боеприпасов, снаряженных ип-ритно-люизитными смесями, получим, что общая его величина равна 3 млн. 802 тыс. 300 у. е.

При оценке экономического эффекта от использования той или иной стратегии снижения риска необходимо сопоставление результатов (!¥), достигнутых при помощи набора мероприятий, соответствующих рассматриваемой стратегии, с затратами на них (7). При известных значениях стоимостных показателей результатов и затрат абсолютная величина эффекта от внедрения мероприятий по снижению риска для объекта может быть определена согласно следующей формуле [6]:

Э(7,Т) = Ш - г = £ £Жиг

А

г=1 V 7=1 ]=1 У

где Жи - результат по 7-му направлению в период г; г- затраты по 1-му направлению в период г.

Поскольку результаты от внедрения мероприятий в случае чистых рисков проявляются в виде снижения математических ожиданий (средних рисков) ущербов, выражение (14) может быть представлено в следующем виде [6]:

Э( г, т) = Е I

г=1 ^ 7=1 /=1 )

где X и - средний уровень ущерба, имевшего место в период г, до внедрения рискоснижающих мероприятий;

Хи (X) - средний уровень ущерба, определенный (оцениваемый) после их внедрения.

Анализ возможного состава мероприятий, с помощью которых может быть уменьшен уровень ущерба, позволил сформировать следующие основные стратегии по снижению уровня риска для населения, проживающего на прилегающей к химически опасному объекту территории:

1. Замена и модернизация оборудования опытной установки. В наибольшей степени снизить уровень риска в результате аварии позволяет применение герметизации фланцевых соединений опытной установки по уничтожению боеприпасов сжатым азотом под давлением, превышающим рабочее давление в агрегате. В этом случае отказ уплотнения не будет сопровождаться утечкой опасных веществ в зону рабочего помещения, поскольку действующий перепад давления сжатого азота выше, чем давление перекачиваемой среды. Таким образом, при наступлении аварийного события ущерб будет равен нулю, соответственно и риск будет равен нулю.

С учетом того что затраты на приобретение и установку пневматической системы подачи сжатого азота к исполнительным агрегатам и потребителям опытной установки по уничтожению боеприпасов составляют 56 тыс. у. е., экономический эффект от применения рассматриваемой стратегии, рассчитанный на основе выражения (16), составит 3746300 долларов США:

Э1 (г, Т) = 3802300 - 56000 = 3746300.

2. Замена системы вентиляции. Уровень риска может быть уменьшен за счет использования более эффективной системы вентиляции. В этом случае масса загрязнителей, участвующих в формировании облака ОВ, снизится за счет более высокой очистной способности выходных фильтров. Существующие в настоящее время системы очистки воздуха в рабочих цехах способны задерживать до 50% вредных веществ.

С учетом того что в результате реализации рассматриваемой стратегии ущерб, наносимый населению, проживающему на прилегающей к предприятию территории, снизится до 1,9 млн. у. е., а затраты на модернизацию системы вентиляции составят примерно 160 тыс. у. е., экономический эффект от использования данной стратегии снижения риска, определяемый на основе выражения (16), будет равен 1,74 млн. у. е.

3. Обеспечение защиты населения от воздействия аварийных выбросов ОВ. В частности, одним из способов защиты населения от воздействия иприт-но-люизитных смесей является организация своевременного оповещения населения об аварии. В этом случае уменьшается длительность пребывания людей в зоне воздействия ОВ, в результате чего сокращается поглощаемая доза ипритно-люизитных смесей. Таким образом, в случае применения данной

У[[ - Х7г (I)]-У

стратегии размер ущерба от аварии на опытной установке снизится до 1,2 млн. у. е. Затраты на реализацию стратегии составят около 70 тыс. у. е. Соответственно величина экономического эффекта будет равна 2,5 млн. у. е.

4. Перенос предприятия в незаселенный район. Эта стратегия позволяет избежать риска. Однако затраты в этом случае составят 55 млн. у. е., а экономический эффект от применения данной стратегии - 51 млн. у. е.

Из приведенных цифр видно, что наиболее эффективной является стратегия, предполагающая замену и модернизацию оборудования опытной установки. Экономический эффект от реализации данной стратегии является максимальным и составляет 3,7 млн. у. е.

Приведенные в работе оценки эффективности рисков, рискоснижающих затрат в определенной степени условны, поскольку они не привязаны к конкретной территории. Учет параметров этой территории позволит уточнить результаты расчетов, но это не приведет к существенному изменению в работе подхода к управлению рисками уничтожения боеприпасов с отравляющими веществами.

Список литературы

1. Голубев А. И., Кондаков Л. А. Уплотнения и уплотнительная техника : справочник / под общей редакцией Л. А. Кондакова. - М. : Машиностроение, 1994.

2. Козлитин А. М., Попов А. И. Методы технико-экономической оценки и экологической безопасности высокорисковых объектов техносферы. - Саратов : СГТУ, 2000.

3. Кофф Г. Л., Гусев А. А., Козьменко С. Н., Воробьев Ю. Л. Оценка последствий чрезвычайных ситуаций. - М. : МЧС России, 1996.

4. Махутов Н. А. Костин А. А., Костин А. И. Нормирование степени риска поражения людей при авариях на химически опасных объектах // Проблемы безопасности при чрезвычайных ситуациях. - 1998. - Вып. 2.

5. Нормы радиационной безопасности НРБ - 96. Гигиенические нормативы ГН 2.6.1.054 - 96 / Госкомсанэпидемнадзор России. - М., 1996.

6. Тихомиров Н. П., Потравный И. М., Тихомирова Т. М. Методы анализа и управления эколого-экономическими рисками : учебное пособие для вузов / под ред. Н. П. Тихомирова. - М. : ЮНИТИ-ДАНА, 2003.

7. Tam V. H. Y. and Cowley L. T. Consequences of Pressurized LPG Releases: The Isle of Grain Full Experiments // Proceedings of the GASTECH 88 Conference. Kuala Lumpur, 1988. - Vbl. 1.