СПОСОБ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ХИМИЧЕСКИ ОПАСНЫХ ОБЪЕКТОВ
METHOD FOR ENVIRONMENTAL MONITORING OF CHEMICALLY HAZARDOUS OBJECTS

Изобретение относится к области мониторинга, в частности к мониторингу химически опасных объектов, и предназначено для оперативного определения координат источника возможной чрезвычайной ситуации в любой из зон влияния химически опасного объекта, подтверждения достоверности возможного события и определения параметров поражающих факторов химического и физического воздействия с целью улучшения качества принятия решения о чрезвычайной ситуации.
7
Известен способ дистанционного обнаружения экологически опасных газов (пат. РФ №2158423, МПК G01N 21/61. Способ дистанционного обнаружения экологически опасных газов. / Андреева Н.П., Барашков М.С., Демкин В.К., Печерский Е.А., Пшеничников С.М.; заявитель и патентообладатель Государственное унитарное предприятие «НПО Астрофизика». - №99105621/28; заявл. 22.03.1999; опубл. 27.10.2000), заключающийся в использовании лазерного излучения для обнаружения и измерения концентрации опасных газов в местах аварийного или несанкционированного их появления. Однако данный способ может быть использован лишь на открытой непересеченной местности.
7
Известен способ экологического мониторинга химически опасных объектов (пат. РФ №2271012, МПК G01N 35/00. Способ экологического мониторинга химически опасных объектов. / Алексеев В.А., Габричидзе Т.Г., Заболотских В.И.; заявитель и патентообладатель Физико-технический институт Уральского отделения Российской Академии наук. - №2003132228/28; заявл. 20.04.2005; опубл. 27.02.06. Бюл. №6), позволяющий принимать решение об аварийной ситуации с учетом взаимной корреляции аварийных измерительных сигналов между собой. Однако данный способ не позволяет определять координаты места чрезвычайной ситуации.
7
Известны способы экологического мониторинга химически опасных объектов (пат. РФ №2346302, МПК G01N 35/00. Способ экологического мониторинга химически опасных объектов. / Алексеев В.А., Толстых А.В., Телегина М.В., Цапок М.В.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет». - №2007129873/28, заявл. 03.08.2007; опубл. 10.02.09.), заключающийся в расстановке постоянных постов наблюдения атмосферного воздуха на местности «треугольником» для определения координат и подтверждения достоверности возможного выброса опасных химических веществ в результате взрыва с использованием данных о взаимной корреляции аварийных измерительных сигналов между собой; а также способ экологического мониторинга (пат. РФ №2385473, МПК G01N 35/00, G01W 1/00. Способ экологического мониторинга химически опасных объектов. / Алексеев В.А., Толстых А.В., Телегина М.В., Цапок М.В.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет». - №2008142811/28; заявл. 28.10.2008; опубл. 27.03.2010. Бюл. №9) отличающийся тем, что в комплексе с постоянными дополнительно вводятся подфакельные посты наблюдения атмосферного воздуха. Данные два способа позволяют осуществлять определение координат возможного выброса опасных химических веществ только при известном местоположении самих постов наблюдения, но каким образом осуществляется их размещение на местности, не указано. Расстановка их случайным образом может привести к тому, что облако зараженного воздуха «проскочит» между точками контроля. Использование данных способов позволит зафиксировать лишь взрыв, сопровождающий выброс опасных химических веществ. При возникновении других источников чрезвычайной ситуации (пожар, пролив опасных химических веществ) в зонах влияния химически опасного объекта применение данных способов экологического мониторинга будет малоэффективным.
Таким образом, целью настоящего изобретения является разработка системы расстановки постов наблюдения, исключающей «проскок» облака зараженного воздуха между постами, позволяющей определять координаты и характер возможного источника чрезвычайной ситуации, подтверждать достоверность возможного события, а также определять параметры распространения облака зараженного воздуха в любой из зон влияния химически опасного объекта для поддержки принятия решения на ликвидацию последствий.
Поставленная цель достигается за счет того, что определяют параметры ударной волны взрыва с использованием расстановки постов наблюдения «треугольником», технические средства химической разведки и химического контроля, определяющие параметры зараженного облака с учетом метеорологических условий, характера местности и подстилающей поверхности расставляют методом «реперной сети», технические средства химической разведки дистанционного действия пассивного типа устанавливают «геометрическим» методом, технические средства, регистрирующие параметры звуковой волны устанавливают «треугольником», бесконтактные технические средства, регистрирующие тепловое излучение и экстремальный нагрев среды, устанавливают таким образом, чтобы зона обзора каждого технического средства обязательно соприкасалась с зонами обзора соседних приборов под углом 90°, датчики, регистрирующие параметры сейсмовзрывной волны, устанавливают под углом 90° по отношению друг к другу.
Сущность изобретения заключается в разработке системного способа расстановки постов наблюдения, оснащенных техническими средствами регистрации параметров поражающих факторов химического (токсическое действие опасных химических веществ) и физического (волна сжатия в грунте, сейсмовзрывная волна, экстремальный нагрев среды, тепловое излучение) воздействия возможных источников чрезвычайных ситуаций и звуковой волны в любой из зон влияния химически опасного объекта с учетом метеорологических условий, характера местности и подстилающей поверхности для выработки поддержки принятия решения на локализацию и ликвидацию возможной чрезвычайной ситуации.
Данный способ включает в себя расстановку постов наблюдения, оснащенных техническими средствами:
- химической разведки и химического контроля локального действия;
- химической разведки дистанционного действия;
- регистрации поражающих факторов физического воздействия (воздушная ударная волна, волна сжатия в грунте, сейсмовзрывная волна, экстремальный нагрев среды, тепловое излучение).
Способ расстановки постов наблюдения оснащенных техническими средствами химической разведки и химического контроля локального действия состоит в следующем.
На первом этапе осуществляется:
- анализ возможных аварий, масштабы которых могут выходить за пределы санитарно-защитной зоны химически опасного объекта с целью определения типов начальных источников химического заражения и возможных количеств высвобождающихся опасных химических веществ;
- выбор математических моделей формирования и функционирования начального источника химического заражения, рассеяния опасных химических веществ в приземном слое атмосферы;
- анализ метеорологических условий и рельефа местности для использования соответствующих показателей в математических моделях рассеяния опасных химических веществ в приземном слое атмосферы.
На втором этапе проводятся расчеты полей концентраций (доз) опасных химических веществ, образующихся в результате возникновения возможных чрезвычайных ситуаций на химически опасном объекте при различных метеорологических условиях с учетом особенностей рельефа местности по восьми румбам, определяющим основные направления ветра.
min
max
На третьем этапе все проведенные расчеты анализируются и из них выбираются поля концентраций (доз), соответствующих максимально и минимально возможным глубинам распространения облака зараженного воздуха (Г, Г) за пределами санитарно-защитной зоны химически опасного объекта по каждому из восьми румбов.
Максимальные значения глубин распространения облака зараженного воздуха по каждому румбу будут определять зону влияния химически опасного объекта. Схематично это можно представить так, как показано на фиг.1. Расчетные границы зоны влияния химически опасного объекта будут учитываться непосредственно при размещении постов наблюдения.
max
Далее по выбранным полям концентраций (доз) опасных химических веществ, соответствующих максимально возможным глубинам (Г), выделяется облако зараженного воздуха с минимальной шириной и диапазон расстояний, на которых сохраняется данная ширина, в соответствии со схемой, приведенной на фиг.2.
Такой выбор обоснован тем, что с помощью системы мониторинга необходимо определить облако зараженного воздуха, угол раствора которого был бы минимальным. Его значение определяется как тангенс угла отклонения границы облака зараженного воздуха от его директрисы:
где tgφ - тангес угла отклонения облака зараженного воздуха от его директрисы (при этом весь угол раствора равен 2φ), град.;
mах
Ш - максимальная ширина облака зараженного воздуха, м;
max
max
A - максимальная глубина облака зараженного воздуха, на которой достигается его максимальная ширина Ш, м.
min
Облако зараженного воздуха, ограниченное определенной дистанцией, можно в первом приближении рассматривать как сектор круга. Поэтому за первую дистанцию для размещения точек контроля по окружности в зоне влияния химически опасного объекта следует выбрать минимальную дистанцию, на которой наблюдается максимальная ширина облака зараженного воздуха (A). На данной дистанции будет фиксироваться наличие облака зараженного воздуха в зоне влияния химически опасного объекта. Количество точек (N) на данной дистанции определяется делением всей окружности (360°) на найденный угол раствора:
min
Таким образом, посты наблюдения первой дистанции будут размещаться на окружности с радиусом, равным A.
Координаты мест расположения постов наблюдения определяют по отношению к нулевому лучу, за который следует выбрать преимущественное направление ветра в районе объекта. При этом необходимо учитывать угол сдвига, представляющий собой величину отклонения нулевого луча от северного направления. После определения координат первого поста наблюдения производится расчет координат для остальных постов первой дистанции.
В случае если дуга окружности будет выходить за пределы зоны влияния химически опасного объекта, пост наблюдения будет размещаться на ее границе, как это показано на фиг.3.
На четвертом этапе определяется вторая дистанция для размещения постов наблюдения, с помощью которых можно будет зафиксировать факт выхода облака зараженного воздуха за пределы санитарно-защитной зоны химически опасного объекта.
min
Если санитарно-защитная зона химически опасного объекта аппроксимируется окружностью с некоторым заданным радиусом, то вторая дистанция для размещения постов наблюдения будет определяться радиусом, равным Г. Аналогично действиям третьего этапа определяется минимальный угол раствора облака зараженного воздуха и необходимое количество постов, а также их координаты.
min
2
Если санитарно-защитная зона химически опасного объекта аппроксимируется прямоугольником, то вторая дистанция для размещения постов наблюдения будет определяться прямоугольником, стороны которого больше границ санитарно-защитной зоны на величину, равную удвоенному расстоянию от границы санитарно-защитной зоны до расчетного значения Г. При этом посты будут размещаться на пересечении линий прямоугольника, определяющего вторую дистанцию, и линий, образованных при сдвиге по окружности, описанной вокруг санитарно-защитной зоны, относительно нулевого луча на угол φ, как это показано на фиг.4.
Предложенную систему мониторинга можно считать «реперной сетью», которая разработана с учетом положения о необходимости и достаточности фиксирования параметров облака зараженного воздуха хотя бы одним постом наблюдения. На постах необходима установка технических средств химической разведки и химического контроля локального действия. При срабатывании объектовых датчиков контроля с помощью данной системы можно контролировать распространение облака зараженного воздуха и определять его границы. В случае получения сигнала от нескольких постов наблюдения второй дистанции можно ориентировочно определять ширину облака зараженного воздуха и прогнозировать его возможную глубину.
При срабатывании технических средств мониторинга в зоне влияния химически опасного объекта и отсутствии сигналов от объектовых технических средств контроля можно сделать предположение о возникновении источника химического заражения в районе расположения химически опасного объекта, не связанного с аварией непосредственно на объекте. Зная координаты постов, в которых зафиксировано превышение уровня допустимой концентрации опасного химического вещества, можно определить ориентировочное место возникновения источника химического заражения.
Технические средства химической разведки дистанционного действия включают в себя как приборы пассивного типа, так и активные лидарные комплексы. Обладая высоким быстродействием, практически круговой обзорностью и дальностью действия, измеряемой несколькими километрами, технические средства химической разведки дистанционного действия обеспечивают высокую производительность при поиске облака зараженного воздуха. Посты наблюдения с использованием данных технических средств целесообразно размещать на возвышенности и удалении, равном просматриваемому участку до рабочей зоны химически опасного объекта. При этом необходимо учитывать статистические данные «розы ветров», рельеф местности, а также дальность действия применяемых технических средств. Применение одного лидара достаточно для осуществления контроля концентраций паров и аэрозолей опасных химических веществ, а также определения географических координат и геометрических размеров возможных облаков зараженного воздуха.
Способ определения координат источников чрезвычайных ситуаций, связанных с возникновением и распространением облака зараженного воздуха, с помощью дистанционных приборов химической разведки пассивного типа сводится к решению геометрической задачи. Поэтому данный способ расстановки постов наблюдения предложено назвать «геометрическим». Схема решения данной задачи при произвольном расположении двух постов наблюдения приведена на фиг.5.
1
1
2
2
1
2
1
2
Искомая точка С представляет собой одну из вершин треугольника (Δ АВС), углы которого, а также координаты вершин А и В известны. Пусть точки А и В (первый и второй посты соответственно) имеют координаты (x;y) и (х;y), а азимуты проекций оптических осей приборов на горизонтальную плоскость составляют углы α и α, углы обнаружения приборами облака зараженного воздуха будут составлять соответственно β и β. Углы обнаружения облака зараженного воздуха являются показаниями приборов дистанционного действия и находятся в интервале от минус 180° до 180°, азимуты проекций оптических осей принимают значения от 0° до 360°. Исходя из определения тангенса острого угла в прямоугольном треугольнике получим два следующих тождества:
1
1
3
3
Так как входящие в уравнения (3) и (4) катеты прямоугольных треугольников ΔААС и ΔBBC представляют собой отрезки, равные разностям соответствующих координат (фиг.5), то найти искомые координаты (х;y) точки С можно, решив следующую систему уравнений (5):
3
3
где x, y - географические координаты точки С, м;
1
1
x, y - географические координаты точки А (первого прибора), м;
2
2
x, y - географические координаты точки В (второго прибора), м;
1
2
α, α - углы между направлением на север и продольными осями первого и второго приборов соответственно, град.;
1
2
β, β - углы между продольными осями и направлением на регистрируемое облако зараженного воздуха первого и второго приборов соответственно, град.
На основании исходных данных о географических координатах местоположения постов наблюдения (приборов дистанционного действия) и направлениях на индицируемое облако зараженного воздуха можно получить информацию о его географическом положении. Вместе с тем при расстановке предложенным способом дистанционных технических средств данного типа в районе расположения химически опасного объекта необходимо учитывать, что на изменение величины результирующей погрешности определения координат облака зараженного воздуха в зондируемом пространстве наибольшее влияние оказывает угол пересечения полей зрения приборов химической разведки в момент обнаружения ими облака зараженного воздуха. При этом максимальная погрешность наблюдается в двух случаях:
- направление оптических осей приборов в момент регистрации облака зараженного воздуха близко к параллельному (угол пересечения полей зрения двух приборов химической разведки в момент регистрации облака зараженного воздуха стремится к нулю);
- оптические оси приборов в момент обнаружения облака зараженного воздуха направлены навстречу друг другу (угол пересечения осей полей зрения приборов близок к 180°).
Минимальная величина погрешности определения координат облака зараженного воздуха достигается при угле пересечения полей зрения приборов, равном 90°.
Использование в предложенном способе третьего поста наблюдения, оснащенного прибором дистанционной химической разведки пассивного типа, позволит минимизировать величину погрешности определения положения облака зараженного воздуха за счет перекрытия им зон, в которых возникает неопределенность при получении пространственных характеристик облака зараженного воздуха двумя другими постами.
В основе способа расстановки постов наблюдения, оснащенных техническими средствами регистрации ударной и звуковой волн, предлагается использовать геометрический метод расстановки постов наблюдения «треугольником».
Предполагая, что санитарно-защитная зона химически опасного объекта будет аппроксимирована прямоугольником, схему расстановки постов наблюдения можно представить следующим образом (см. фиг.6).
В точках 1, 2, 3, 4 следует разместить датчики (приборы) контроля параметров ударной и звуковой волн.
уд
зв
В случае возникновения взрыва как в санитарно-защитной зоне, так и вне ее на стационарном посту сработают датчики, регистрирующие параметры ударной волны, и зафиксируется время их срабатывания (t). Датчики регистрации параметров звуковой волны также зафиксируют время их срабатывания (t).
уд
зв
Для возможности определения ориентировочных координат взрыва следует сделать допущение о том, что временем срабатывания датчиков, регистрирующих параметры звуковой волны, является момент возникновения взрыва. По разнице значений времени срабатывания датчиков (t-t) будет определено время прихода ударной волны. Зная скорость распространения ударной волны (ν) в воздушной или иной среде (ее следует считать постоянной), можно определить расстояние до источника взрыва:
Местоположение источника взрыва будет определяться в пределах окружности с центром в точке контроля и радиусом R. Для определения координат взрыва достаточным является фиксирование ударной волны тремя точками контроля, датчики которых сработали первыми, как это показано на фиг.6.
Ориентировочные координаты источника взрыва можно будет определить визуально в точке на пересечении трех окружностей либо путем проведения расчетов, используя формулу (7) и решив систему уравнений (8).
где х, у - координаты точки контроля, м;
в
в
x, y - координаты места взрыва, м;
R - расстояние от точки взрыва до точки контроля, м.
1
1
где x, y - координаты первой точки контроля, м;
в
в
x, y - координаты места взрыва, м;
2
2
x, y - координаты второй точки контроля, м;
1уд
2уд
t, t - время срабатывания датчиков, фиксирующих ударную волну для первой и второй точек контроля, с;
1зв
1зв
t, t - время срабатывания датчиков, фиксирующих звуковую волну для первой и второй точек контроля, с;
ν - скорость распространения ударной волны, м/с.
Для регистрации теплового излучения и экстремального нагрева среды, которые возникают в результате пожаров и взрывов на объекте, используются бесконтактные технические средства (тепловизоры, видеокамеры). Предлагается устанавливать их так, чтобы зона обзора каждого технического средства обязательно соприкасалась с зонами обзора соседних под углом 90°. В тех случаях, когда расстояния между техническими средствами будут превышать диапазон их совместного радиуса действия, необходима установка дополнительных приборов.
Датчики, регистрирующие скорость распространения сейсмовзрывной волны, устанавливаются в санитарно-защитной зоне под углом 90° друг к другу. Для регистрации сейсмовзрывных волн на химически опасном объекте достаточно двух датчиков.
Таким образом, предложенное техническое решение расстановки постов, основанное на системном использовании способов: «треугольника» с использованием взаимной корреляции регистрируемых параметров ударной и звуковой волн по времени, «реперной сети», расстановки дистанционных технических средств химической разведки, бесконтактных технических средств (тепловизоры, видеокамеры), датчиков регистрации параметров сейсмовзрывной волны с учетом метеорологических условий, характера местности и подстилающей поверхности, целесообразно использовать:
- на химически опасных объектах, занимающих большие территории;
- в случаях возможных чрезвычайных ситуаций, связанных с выбросом опасных химических веществ в результате террористической деятельности в любой из зон влияния химически опасных объектов;
- в случаях, когда зараженное облако может прийти с другого химически опасного объекта, расположенного в непосредственной близости рассматриваемого объекта.
Кроме того, во всех перечисленных ситуациях данный способ позволяет осуществлять качественный мониторинг в условиях сложного характера местности и подстилающей поверхности.