Лекция 13. Общие принципы исследования процесса причинения ущерба

Изложение материала этой и следующих глав данного раздела предварим тремя замечаниями разъяснительного характера:

а) в отличие от прежней априорной оценки вероятности техногенных происшествий в них рассматривается прогнозирование соответствующего ущерба;

б) если до сих пор использовался один и тот же класс графических моделей (причинно-следственные диаграммы), то ниже используется единое деление исследуемого процесса на четыре типовых этапа, а также специальные математические модели и компьютерные алгоритмы;

в) так как размеры ущерба зависят от большего числа факторов, то достоверность прогноза этого параметра техногенного риска ниже, чем предыдущего.

Предметом же настоящей главы будет рассмотрение содержания ущерба и наиболее общих принципов его прогнозирования.

Сущность и краткая характеристика процессов причинения и оценки ущерба от происшествий

Статистика техногенных аварий, катастроф и несчастных случаев свидетельствует, что техногенный ущерб людским, материальным и природным ресурсам чаще всего вызван пожарами и транспортными происшествиями. Его источник – неконтролируемое высвобождение энергозапаса, накопленного движущимися телами, сосудами высокого давления, взрывчатыми веществами, ядовитыми техническими жидкостями и другими АХОВ. А вот основными поражающими факторами чаще всего служат:

а) термический (тепловое излучение и токсичные продукты горения) – примерно 50% от общего числа проявления соответствующих источников;

б) бризантно-фугасный (дробящий, деформирующий и метательный эффект) – до 30%;

в) агрессивные или токсичные свойства вредных веществ – около 10%.

Изучение известных статистических данных свидетельствует также о многообразии обстоятельств развития и проявления техногенных происшествий, т.е. возникновения и разрушительного воздействия на различные объекты перечисленных выше и иных опасных факторов. Вот почему детальное рассмотрение исследуемого здесь процесса причинения техногенного ущерба удобно провести, поделив его на следующие четыре этапа:

1) высвобождение (расконсервация) накопленных в ОТУ запасов вредного вещества или энергии вследствие разгерметизации соответствующей емкости либо генератора;

2) неконтролируемое распространение (трансляция) их потоков после истечения подобного энергозапаса в новую для него среду и перемешивания с ней;

3) физико-химическое превращение (трансформация) АХОВ с неизбежным энергообменом и переходом в новое агрегатное или фазовое состояние;

4) разрушительное воздействие (адсорбция) на соседние объекты потоков аварийно высвободившегося энергозапаса и продуктов его трансформации.

Последовательно охарактеризуем каждый этап, обращая внимание лишь на особенности, имеющие существенное значение для прогнозирования величины техногенного ущерба. Преимущественное внимание при этом уделим поведению АХОВ, поскольку потоки энергии (например, электромагнитной или ионизирующих излучений) высво-

бождаются и распространяются практически мгновенно. Кроме того, они практически не меняют свои параметры в пределах учитываемых здесь сравнительно малых времени и пространства.

Характеристику первого этапа, т.е. расконсервации АХОВ и энергии, накопленной, допустим, движущимися телами разной величины, удобно провести, отвечая на следующие три вопроса: а) что высвобождается? б) откуда или из чего оно истекает? в) каким образом это возникло и происходит? При этом главное внимание при ответе на каждый из них должно быть уделено уяснению динамики рассматриваемого процесса и изменения физико-химических свойств подобного энергозапаса, а также априорной оценке его параметров.

При этом рекомендуется использовать следующие основные варианты ответа на эти вопросы: а) вредное вещество (газообразное, жидкое, газокапельное, порошкообразное, меняющее или сохраняющее агрегатное состояние в процессе высвобождения) либо энергия – в форме движущихся тел или потока невидимых частиц-волн; б) из генератора (компрессора, насоса, источника энергии) или аккумулятора (емкости) – вследствие разгерметизации или разрушения; в) практически мгновенно (залповый выброс), непрерывно – с постоянным или переменным расходом либо эпизодически – регулярно или случайным образом. Итогом изучения данной стадии следует считать прогноз таких параметров, как количество внезапно высвободившегося АХОВ или интенсивность и продолжительность его постепенного истечения, плотность потока микрочастиц или количество движения макротел, напряженность электромагнитных полей, интенсивность теплового или ионизирующего излучений.

Особенности исследования второго этапа процесса причинения техногенного ущерба обычно обусловлены как только что перечисленными факторами, так и спецификой пространства, заполняемого АХОВ или находящегося между источником энергии и объектами, подверженными воздействию. Подобное пространство может быть трехмерным (атмосфера, водоем, почва) и характеризоваться фактически бесконечными размерами либо ограничиваться другой средой, способной поглощать или отражать высвободившиеся потоки, а его заполнение – быть однородным или нет, неподвижной или подвижной средой.

С учетом данного обстоятельства возможны различные сочетания тех факторов, которые существенны для энерго-, массо-, потокообразования, что проявляется в различных сценариях распространения продуктов выброса – от растекания жидких веществ по твердой поверхности до заполнения всего пространства смесью аэрозоля, газа и жидкости. Учитывая практическую невозможность детального рассмотрения всех реально возможных сценариев, основное внимание в последующем уделим лишь распространению вредных веществ в атмосфере с учетом естественно протекающих там процессов.

Рис. 13.1. Закономерности распространения веществ в атмосфере

При изучении условий подобного распространения (рис. 13.1) будем исходить из базовых закономерностей поведения облака (залповый выброс) или шлейфа (непрерывное истечение) вредного вещества: а) легкие его фракции поднимаются с образованием расширяющегося облака; б) нейтральные фракции касаются земли или распространяются параллельно ей; в) тяжелые фракции стелятся над подстилающей (атмосферу) поверхностью и постепенно приближаются к ней. При этом влияние архимедовых и гравитационных сил, подвижности атмосферы (в горизонтальном и вертикальном направлениях) и шероховатости рельефа местности обычно проявляются в дрейфе и размывании этих газообразований за счет трения о подстилающую поверхность и турбулентного рассеяния в результате атмосферной диффузии.

Если трение о подстилающую поверхность зависит от зданий, деревьев и других "шероховатостей" в районе выброса вредного вещества, то его турбулентный обмен с атмосферой определяется уже циркулирующими в ней потоками. Учет подобного влияния осуществляется введением шести классов вертикальной устойчивости или стабильности атмосферы: А – сильно неустойчивая, с преобладанием конвекции; В – умеренно неустойчивая; С – слабо неустойчивая; D – нейтральная стратификация (изотермия); Е – слабо устойчивая, с инверсией; F – умеренно устойчивая.

В настоящее время известны несколько подходов к определению класса вертикальной устойчивости атмосферы [10]. При этом наиболее часто применяются те критерии его оценки, которые приведены в табл. 13.1.

Найденный подобным способом класс устойчивости затем используется для определения эмпирических коэффициентов и функциональных зависимостей, характеризующих распространение АХОВ в атмосфере с учетом конкретного сценария и объема их выброса. Конечной же целью изучения данного этапа служит априорная количественная оценка пространственно-временного распределения концентрации вредных веществ или плотности потока аварийно высвободившейся энергии.

Таблица 13.1. Классы устойчивости атмосферы по Ф. Пескуиллу

Ветер на высоте 10 м, м/с	День, инсоляция			Ночь, облачность
	интенсивная	умеренная	слабая	тонкая (> 3/8)	отсутствует (< 3/8)
	А	А, В	В	–	–
	А, В	В	С	Е	F
	В	В, С	С	D	Е
	С	С, D	D	D	D
	с	D	D	D	D

Примечание. При полной облачности днем и ночью подразумевается один и тот же класс D.

Что касается третьего этапа, т.е. возможной трансформации истекающих из ОТУ потоков энергии и вредного вещества, то характер ее наступления и соответствующая вероятность зависят от большого числа указанных выше и иных факторов. Наиболее простой является ситуация, при которой физико-химические свойства новой среды и продуктов выброса характеризуются взаимной инертностью. В противном случае в заполненных ими объемах пространства не исключены фазовые переходы типа "кипение – испарение" или превращения в форме горения либо взрыва, сопровождающиеся дополнительным энергообменом.

Особенно это характерно для аварийных выбросов горючих веществ, приводящих к образованию топливовоздушных смесей (ТВС). Например, залповый выброс в атмосферу значительного количества сжиженного углеводородного газа сопровождается его практически мгновенным испарением с образованием смеси, способной после контакта с открытым огнем взорваться или интенсивно сгореть за сравнительно небольшое время.

Принципиальное отличие между взрывом (детонацией) и горением (дефлаграцией) состоит в заметно большей (до двух порядков) скорости распространения практически плоского фронта взрыва в сравнении с поверхностью горения, "сморщенной" турбулентностью, и значительной (примерно 2, а не 0,1 МПа) разнице градиентов давления в волнах сжатия, генерируемых этими формами физико-химического преобразования. Последняя особенность объясняет колоссальный по разрушительности эффект взрыва ТВС.

Целями исследования данного этапа служат прогнозирование зон концентрации аварийно высвободившегося токсичного вещества, а также наиболее вероятной формы (взрыв, воспламенение, испарение и рассеяние в новой среде) трансформации такого же АХОВ

и априорная оценка параметров образовавшихся при этом (вторичных) поражающих факторов. Естественно, что для априорной оценки размеров подобных зон, концентрации имеющегося в них вредного вещества, вероятности взрыва или пожара ТВС и вызванных этим разрушительных эффектов используются и результаты, полученные на двух предыдущих этапах.

Четвертым этапом исследования процесса причинения техногенного ущерба является разрушительное воздействие первичных и вторичных поражающих факторов выброса АХОВ на незащищенные объекты из состава людских, материальных и природных ресурсов, а его целью – оценка соответствующих параметров. При их прогнозе в настоящем учебнике учитывается следующее:

а) для опасных факторов – перепад давления на фронте воздушной ударной волны и кинетическая энергия движущихся тел, концентрация токсичных веществ и интенсивность вредных излучений;

б) для повреждаемых объектов – их стойкость и живучесть с учетом мощности и длительности подобного опасного воздействия.

Сам же техногенный ущерб в последующем делится на два вида:

1) прямой, или непосредственный (обусловлен утратой целостности либо ухудшением иных полезных свойств конкретных объектов);

2) косвенный, вызванный нарушениями связей между поврежденными и другими объектами техносферы или природной среды.

Более детальная характеристика первого компонента техногенного ущерба представлена в табл. 13.2.

Сразу поясним, что при построении правой части приведенной здесь таблицы руководствовались следующей логикой: по мере движения по ее столбцам слева направо интенсивность или доза вредного воздействия опасных факторов понижается, тогда как отдаленность проявления их разрушительных последствий на рассматриваемые объекты растет. Что же касается градации соответствующих свойств, то она – двухступенчатая: для интенсивности – "большая" и "малая", а отдаленности наступления вредного эффекта – "немедленно" и "впоследствии".

В заключение параграфа отметим, что, несмотря на краткость характеристики выбранных четырех этапов причинения техногенного ущерба и определенную условность только что предложенной классификации различных форм его проявления, даже приведенные здесь сведения подтверждают случайность и многообразие сценариев возможного развития техногенных происшествий. Эти и другие особенности свидетельствуют не только о трудоемкости прогнозирования всех параметров рассматриваемого здесь процесса, но и о необходимости привлечения для этого самых разнообразных моделей и методов. Однако до их детального рассмотрения целесообразно опреде литься с основными подходами к прогнозу как математического ожидания ущерба, т.е. интегрального показателя техногенного риска, так и его частных параметров.

Таблица 13.2. Формы и особенности проявления непосредственного ущерба

Ресурсы и объекты причинения ущерба	Формы причинения в зависимости от 1) интенсивности вредного воздействия и 2) отдаленности проявления последствий
	1.1. Большая	2.1. Немедленно	1.2. Малая	2.2. Впоследствии
Материальные: производственные, бытовые и культурные здания, помещения и оборудование, готовая продукция	Уничтожение в результате катастрофы или аварии	Вывод из строя по причине отказов или разрушения	Снижение эффективности из-за нерасчетных режимов работы	Повышенный износ либо интенсивное старение
Людские: оперативный и обслуживающий персонал, а также люди, проживающие вблизи или случайно оказавшиеся на месте аварии	Гибель и увечья по причине несчастных случаев	Снижение трудоспособности из-за травмирования	Ухудшение здоровья в результате профессиональных заболеваний	Преждевременная смертность и плохая наследственность
Природные: фауна и флора, другие органические ресурсы и минеральные полезные ископаемые	Вымирание биоособей и уничтожение ресурсов из-за аварий	Снижение биоразнообразия и жизнестойкости видов	Нарушение естественных биогеохимических циклов вещества	Мутагенные изменения и (или) исчерпание запасов