Серия 09

Нормативные документы по безопасности,
надзорной и разрешительной деятельности
в химической, нефтехимической и
нефтеперерабатывающей промышленности

Выпуск 4

МЕТОДИКА
РАСЧЕТА ЗОН ЗАТОПЛЕНИЯ ПРИ
ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ АВАРИЯХ
НА ХРАНИЛИЩАХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ
ОТХОДОВ ХИМИЧЕСКИХ ПРЕДПРИЯТИЙ

РД 09-391-00

Москва

Государственное унитарное предприятие
«Научно-технический центр по безопасности в промышленности
Госгортехнадзора России»

2002

Методика предназначена для расчета зон затопления и количественной оценки уровня безопасности при гидродинамической аварии на эксплуатируемых и проектируемых хранилищах шламов, жидких производственных отходов, стоков и технических вод.

СОДЕРЖАНИЕ

Утверждена

постановлением Госгортехнадзора

России от 04.11.00 № 65

Введена в действие 04.11.00

МЕТОДИКА РАСЧЕТА ЗОН ЗАТОПЛЕНИЯ ПРИ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ АВАРИЯХ НА ХРАНИЛИЩАХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ОТХОДОВ ХИМИЧЕСКИХ ПРЕДПРИЯТИЙ

РД 09-391-00

ВВЕДЕНИЕ

Методика предназначена для расчета зон затопления и количественной оценки уровня безопасности при гидродинамической аварии на эксплуатируемых и проектируемых хранилищах шламов, жидких производственных отходов, стоков и технических вод (далее - хранилища).

При разработке Методики расчета зон затопления при гидродинамических авариях на хранилищах производственных отходов химических предприятий (далее - Методика) учтены требования следующих документов:

Федерального закона Российской Федерации от 21.07.97 № 117 «О безопасности гидротехнических сооружений^*»;

^* Далее - ГТС.

Постановления Правительства Российской Федерации от 06.11.98 № 1303 «Об утверждении положения о декларировании безопасности гидротехнических сооружений».

В Методике учтены особенности хранилищ отходов химического промышленного комплекса, в том числе:

наличие в хранилищах высокотоксичных и токсичных веществ, веществ, представляющих опасность для окружающей природной среды (далее - вредные вещества);

размещение хранилищ на местности с относительно плавными формами рельефа недалеко от поверхностных водоемов, на промплощадках предприятий, в непосредственной близости от населенных пунктов и сельскохозяйственных угодий;

устройство ограждающих дамб из песчаных, супесчаных и суглинистых грунтов.

Методика может быть использована для расчета зон затопления и количественной оценки уровня безопасности при авариях на хранилищах предприятий других отраслей промышленности.

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1. При аварии на хранилищах отходов и стоков происходит разрушение ограждающих дамб и разлив содержимого хранилищ, вызывающий:

затопление окружающих территорий, в том числе мест временного или постоянного присутствия человека, зданий и сооружений;

распространение волной прорыва вредных веществ, которое приводит к загрязнению почв и земель, грунтовых вод, поверхностных водоемов, источников питьевого водоснабжения.

1.2. Опасность аварий определяется последствиями возникающих чрезвычайных ситуаций (ЧС).

1.3. При разработке Методики использованы традиционные положения теории русловых процессов, безнапорного гидротранспорта грунтов, а также Рекомендации по расчету охранных зон хвостохранилищ, выпущенные ВНИИПИ механической обработки полезных ископаемых (МЕХАНОБР) в 1984 году [1 - 7].

1.4. Методика позволяет определить показатели, характеризующие аварию и ее последствия:

границы зоны затопления;

время образования прорана (время от начала до полного истечения жидкости из хранилища);

размеры прорана;

расходы и объемы жидких отходов, выливающихся по мере развития прорана;

высота, скорость и гидродинамическое давление волны прорыва по пути движения;

параметры загрязнения вредными веществами почвы, грунтовых и поверхностных вод;

показатели последствий аварий по воздействию волны прорыва на человека, здания и сооружения;

показатели последствий аварий по воздействию на окружающую природную среду.

1.5. Методика предназначена для использования:

предприятиями и организациями, эксплуатирующими хранилища;

проектными и экспертными организациями;

другими организациями, по роду своей деятельности связанными с обеспечением безопасности хранилищ;

при декларировании безопасности ГТС;

при определении возможности дальнейшей эксплуатации хранилищ и других работах, в которых требуется количественная оценка уровня безопасности.

1.6. Полученные показатели последствий аварии могут быть использованы при оценке ущерба окружающей природной среде, материальных потерь, границ зон поражающих факторов и классификации ЧС.

1.7. Основные термины и определения, используемые в методике.

Затопление - повышение уровня воды водотока, водоема или подземных вод, приводящее к образованию свободной поверхности воды на участке территории [8, 9].

Катастрофическое затопление - территория, на которой затопление имеет глубину 1,5 м и более и может повлечь за собой разрушения зданий и сооружений, гибель людей, вывод из строя оборудования предприятий [10].

Зона затопления - зона, в пределах которой происходит движение потока, образующегося при разрушении дамбы (плотины) [8, 11].

Почва - природное образование, слагающее поверхностный слой земной коры и обладающее плодородием [12, 13].

Плотность сухого грунта - отношение массы сухого грунта (исключая массу воды в его порах) к его первоначальному объему [14].

Плотность частиц грунта - масса единицы объема грунта без учета пор или масса единицы объема твердых частиц грунта [14].

Вода грунтовая - гравитационная вода первого от поверхности земли постоянно действующего водоносного горизонта, расположенного на первом водоупорном слое [13].

Коэффициент фильтрации - скорость фильтрации воды при градиенте напора, равном единице, и линейном законе фильтрации [14].

Градиент напора - отношение разности напора воды к длине пути фильтрации [14].

Инфильтрация - проникновение атмосферной или поверхностной воды в породы и почвы [14].

Авария - опасное техногенное происшествие, создающее угрозу жизни и здоровью людей, приводящее к разрушению зданий, сооружений, оборудования и транспортных средств, нарушению производственного и транспортного процесса, нанесению ущерба окружающей природной среде [8, 15, 16].

Гидродинамическая авария - авария на ГТС, связанная с распространением с большой скоростью воды и создающая угрозу возникновения чрезвычайной техногенной ситуации [8, 15, 16].

Чрезвычайная ситуация - обстановка на определенной территории, сложившаяся в результате аварии на ГТС, которая может повлечь или повлекла за собой человеческие жертвы, ущерб здоровью людей или окружающей природной среде, значительные материальные потери и нарушение жизнедеятельности людей [8, 16].

Предельно допустимая концентрация - максимальная концентрация, при которой вещество не оказывает прямого или опосредованного влияния на состояние здоровья населения (при воздействии на организм в течение всей жизни) и не ухудшает гигиенические условия водопользования [8].

Опасные отходы - отходы, которые в силу их реакционной способности или токсичности представляют непосредственную или потенциальную опасность для здоровья человека или состояния окружающей среды самостоятельно или при вступлении в контакт с другими отходами и окружающей средой [8].

Загрязняющие вещества - химические соединения, повышенное содержание которых в биосфере и ее компонентах вызывает негативную токсико-экологическую ситуацию [8].

Прудок-отстойник - водоем, в котором происходит осветление в процессе намыва [8].

2. РАСЧЕТ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ОТХОДОВ^*, СОДЕРЖАЩИХСЯ В ХРАНИЛИЩЕ, В СЛУЧАЕ РАЗРУШЕНИЯ ОГРАЖДАЮЩЕЙ ДАМБЫ

^* Отходы - жидкие производственные отходы, стоки и технические воды.

2.1. Основные положения, принимаемые при расчете

2.1.1. Процесс разрушения хранилища, образования прорана и движения образующегося при этом потока отходов является сложным. Неравномерный и неустановившийся характер движения потока по всей трассе растекания обусловливают переменные значения его гидродинамических параметров [1 - 7], поэтому для упрощения расчетов рассматриваемый процесс разделяется в расчетном отношении на два этапа:

1) расчет образования прорана и расчет параметров потока в сечении у подошвы откоса дамбы;

2) расчет максимальных параметров потока по трассе растекания.

2.1.2. В Методике приняты следующие допущения:

расчет производится для глубины слоя жидкости и неконсолидированных отходов не менее 25 см;

отходы в хранилище могут представлять собой однородный или неоднородный состав;

поперечное сечение прорана принимается прямоугольным и постоянным по всей длине прорана;

после образования прорана жидкость растекается по местности, имеющей естественный уклон;

гидравлический прыжок, возникающий на переходе потока с участка с уклоном дна больше критического на участок, где уклон меньше критического, - не рассматривается [17, 18].

2.2. Расчет образования прорана (процесса разрушения дамбы)

2.2.1. В расчетах приняты следующие основные обозначения:

Н_max - максимальная глубина вытекающего из прудка слоя жидкости и несконсолидированных отходов, м;

F - площадь хранилища по максимальной отметке гребня дамбы, м²;

V_max - полный объем отходов в хранилище, м³;

l₀ - ширина гребня дамбы, м;

m_отк - заложение внутреннего откоса дамбы^*, м/м;

^* Отношение длины горизонтальной проекции откоса к высоте откоса.

n_отк - заложение внешнего откоса дамбы, м/м;

ρ_s - плотность частиц грунта, т/м³;

 - плотность жидкости в поверхностном слое, т/м³;

- плотность жидкости в слое, расположенном на глубине, равной ½ толщины слоя жидкости и несконсолидированных отходов, т/м³;

 - плотность жидкости в придонном слое, т/м³;

ρ_d - средняя плотность сухого грунта тела дамбы, т/м³ [7];

v^в - кинематический коэффициент вязкости жидкости в поверхностном слое, см²/с;

v^c - кинематический коэффициент вязкости жидкости в слое, расположенном на глубине, равной ½ толщины слоя жидкости и несконсолидированных отходов, см²/с;

v^н - кинематический коэффициент вязкости жидкости в придонном слое, см²/с (для воды кинематический коэффициент вязкости равен 0,0101 см²/с);

d - средневзвешенный размер частиц грунта, мм.

2.2.2. Подготовка исходных данных для расчета на первом этапе

2.2.2.1. Исходными данными для расчета являются:

максимальная глубина вытекающего из прудка слоя жидкости и несконсолидированных отходов;

площадь хранилища по максимальной отметке гребня дамбы;

ширина гребня дамбы;

заложение внутреннего откоса дамбы;

заложение внешнего откоса дамбы;

плотность частиц грунта;

средневзвешенный размер частиц грунта.

2.2.2.2. Вычисление средневзвешенного размера частиц грунта. Для этого производятся замеры размера частиц грунта:

для наливных хранилищ - на дамбе;

для комбинированных (наливных + намывных) и намывных - на первичной насыпной и на намывной дамбах.

Определяются среднее значение диаметра частиц грунта d_сp и стандартное отклонение измерений σ_d:

                                                          (1)

                                                   (2)

где d_i - диаметр i-й выделенной фракции частиц грунта, определяемый по гранулометрическому анализу, мм;

п - количество измерений.

Из формул (1) и (2) получаем выражение для определения средневзвешенного размера частиц грунта

                                                             (3)

где t_st - квантиль распределения Стьюдента с доверительной вероятностью 0,95 [19].

2.2.2.3. Плотность жидкости ρ_жj в j-м слое для отходов с неоднородным составом определяется по следующей формуле:

                                                  (4)

где х_j - расстояние от поверхности жидких отходов до рассматриваемого j-го слоя, м;

                                                        (5)

H - высота слоя жидкости и несконсолидированных отходов, м.

Для отходов с однородным составом j = 1.

2.2.2.4. Кинематический коэффициент вязкости жидкости v_j в j-м слое для отходов с неоднородным составом определяется по следующей формуле:

                                                 (6)

где                                                    (7)

Для отходов с однородным составом j = 1.

Вывод формул (4) - (7) приведен в приложении 1.

За начальные условия расчета размыва элементарного прорана принимается равенство

y₀ = b₀ = h₀ = 0,1H_max,                                                   (8)

где у₀ - начальная глубина прорана;

b₀ - начальная ширина прорана;

h₀ - начальная глубина потока.

На рис. 1 представлена схема расчета размыва гребня и пляжной зоны хвостохранилища.

Рис. 1. Схема расчета размыва прорана

Задавая приращение глубины прорана на каждом расчетном шаге постоянным и равным Dу £ у₀, определяется приращение ширины прорана

                                                           (9)

2.2.3. Задавая приращения размеров прорана (Dy и Db), определяем уменьшение глубины вытекающего из прудка слоя DH. Расчет ведется методом итераций.

Определение параметров размыва прорана и потока производится в расчетный i-й промежуток времени:

глубина прорана y_i = у_i-1 + Dy;                                                                                                                                                (10)

ширина прорана b_i = b_i-1 + Db;                                                                                                                                                (11)

длина прорана, м, l_i = (m_отк + п_отк)у_i + l₀.                                                                                                                                                (12)

При достижении у_i = H_max принимается, что увеличение прорана осуществляется только за счет его расширения:

b_i = b_i-1 + Db',                                                            (13)

где                                                                                                                                                 (14)

Глубина потока в проране, м,                                                                                                                                                 (15)

где H_i определяется по формуле (37).

Расход потока в проране, м³/с [4]:,                                                                                                                                                (16)

где т - коэффициент водослива, принимаемый равным 0,31.

Удельный расход потока в проране, м²/с, .                                                                                                                                                (17)

Скорость потока в проране, м/с, .                                                                                                                                                (18)

Неразмывающая скорость и₀, м/с, определяется для заданного значения d_ср и гидравлических параметров потока производится по зависимостям В.С. Кнороза [20]:

для 0,1 мм < d £ 0,25 мм ;                                                                                                                                                (19)

для 0,25 мм < d < 1,5 мм ;                                                                                                                                                (20)

для d ³ 1,5 мм                                     ,                                                             (21)

где k = 0,785d^0,75;

g - ускорение силы тяжести (g = 981 см/с²);

R_i - гидравлический радиус потока для прямоугольного сечения прорана, определяемый по формуле:

                                                       (22)

ρ'_j - относительная плотность жидких отходов j-го слоя, которая определяется как

                                                          (23)

Для частиц грунтов с d < 0,1 мм при определении значения неразмывающей скорости необходимо учитывать силы сцепления между частицами грунта. Значение и₀ рекомендуется определять по нормативно-справочной литературе [17].

Величина гидравлической крупности W₀, м/с, для размываемых грунтов в проране определяется в зависимости от диаметра частиц грунта по формулам [20]:

при d £ 0,1 мм                                                                                                                   (24)

при 0,1 мм < d < 0,6 мм                                                                                          (25)

при 0,6 мм < d < 2,0 мм                                                                                                  (26)

при d ³ 2,0 мм                                                                                                                       (27)

где g - ускорение силы тяжести (g = 981 см/с²).

Время размыва элементарного объема прорана, с:

                                                   (28)

где µ_i - транспортирующая (размывающая) способность потока;

DW_i - увеличение объема размытого прорана, м³:

DW_i = W_i - W_i-1 = 0,5(b_iy_il_i - b_i-1y_i-1l_i-1).                               (29)

В зависимости от гидравлических параметров потока и диаметра частиц размываемого грунта они могут переноситься потоком либо во взвешенном, либо в донном состоянии.

Если скорость потока и_i ³ 2,7и_0i и все частицы d £ 0,15 мм (переносятся во взвешенном состоянии), то величина µ_i может быть определена как [1]:

                                                (30)

где и_кр - критическая скорость потока, м/с, определяется:

при y_i < H_max                 и_крi = 2,63h_i^0,5;                                      (31)

при y_i = H_max                 и_крi = 3,77h_i^0,2;                                      (32)

Если и_i < 2,7и_0i и все частицы d > 0,15 мм (движутся в донном режиме), то величина µ_i определяется по формуле [1]:

                                     (33)

где g - ускорение силы тяжести (g = 9,81 м/с²).

Объем жидкости, вытекающей из прудка за время Dt_i:

                                                    (34)

Общий объем, вытекший за время Т = ΣDt_i:

                                                              (35)

Понижение уровня в прудке

                                                             (36)

Глубина слоя, вытекающего из прудка:

H_i = H_i-1 + Dy - DH_i-1.                                                  (37)

При i = 1 принимаем, что H₀ = у₀ и DH₀ = 0.

Расчет ведется до того момента, когда V достигает значения V_mах или величина транспортирующей способности µ_i установится меньше 0,003.

Для удобства все результаты расчетов представляются в табличной форме.

2.3. Определение параметров потока в сечении у подошвы откоса дамбы

Для определения значений скорости U и глубины h потока по внешнему откосу дамбы из результатов расчетов, полученных в п. 2.2.3, выбираются:

максимальное значение полного расхода Q_max и соответствующие ему значения ширины b₁₁ и глубины h₁₁ (вариант 1);

максимальное значение удельного расхода q_max и соответствующие ему значения ширины b₁₂ и глубины h₁₂ (вариант 2);

максимальное значение ширины прорана b_max.

Расчет по выбранным параметрам производится одновременно для Q_max и q_max.

2.3.1. Для определения формы свободной поверхности потока [4] необходимо сравнить величину нормальной глубины h₀ с критической глубиной h_кp и значение уклона внешнего откоса дамбы i_во со значением критического уклона i_кр.

Определение критической глубины потока, м,

                                               (38)

^* Здесь и далее по тексту формулы в левой колонке относятся к первому варианту расчета, в правой - ко второму.

где α - коэффициент кинетической энергии, принимается равным 1,1;

g - ускорение силы тяжести (g = 9,81 м/с²).

Нормальная глубина h₀ потока вычисляется в процессе итерационной процедуры (подбором) по значению модуля расхода К₀:

вычисляется модуль расхода [4]:

                                                     (39)

где

Задавая различные значения h₁ (h₂)^*, определяем характеристики потока:

^* Здесь и далее по тексту значения параметров, указанных в скобках, относятся ко второму варианту расчета.

площадь сечения, м²,

ω₁ = b₁₁h₁, ω₂ = b₁₂h₂;                                                        (40)

смоченный периметр потока

x₁ = b₁₁ + 2h₁, x₂ = b₁₂ + 2h₂;                                                (41)

гидравлический радиус

                                                        (42)

коэффициент Шези

                                                 (43)

где n - коэффициент шероховатости, принимаемый равным 0,025 [4];

значение расчетного модуля расхода К_r:

                                         (44)

Подставляя значения параметров, определяемых по уравнениям (40) - (43), в выражения (44), получим

                     (45)

Результаты расчетов и значения h₁ (h₂) заносятся в таблицу. Значение h₁ (h₂), при котором расчетный модуль расхода К_r1 ≈ К₀₁ (К_r2 ≈ К₀₂), и будет значением нормальной глубины потока h₀₁ (h₀₂).

Величина критического уклона определяется по формуле [4]:

                                            (46)

Подставляя значения параметров, определяемых по уравнениям (40) - (43) при условии h = h_кр, в выражения (46), получим

                     (47)

где b_кр1 = b₁₁, b_кр2 = b₁₂.

В зависимости от глубины потока в начале откоса h₁₁ (h₁₂) и соотношения i_во ^‹_› i_кр2 (i_во ^‹_› i_кр2) и h₀₁ ^‹_› h_кр2 (h₀₂ ^‹_› h_кр2) определяется форма свободной поверхности потока [4, 17, 18].

2.3.2. Определение глубины потока в сечении у подошвы откоса

Из полученных значений h₁₁, h₀₁, h_кр1 (h₁₂, h₀₂, h_кр2) выбирается наибольшее и наименьшее значение глубины потока [h_max1, h_min1 (h_max2, h_min2)] и вычисляется среднее значение:

                                        (48)

Определяем длину откоса L, на которой устанавливается нормальная глубина h₀₁ (h₀₂) [6]:

                           (49)

                       (50)

где b_cр1 = b₁₁, b_cр2 = b₁₂;

η_ij - относительная глубина (для каждого из вариантов) определяется:

                                               (51a)

                                               (51б)

По величинам гидравлических показателей русла Х₁ (Х₂) и относительным глубинам находятся функции относительной глубины φ(η₁₁), φ(η₁₂) и φ(η₂₁), φ(η₂₂) (см. приложение 2). Гидравлический показатель русла определяется по формулам [6]:

                                     (52)

Полученные в уравнении (49) величины L₁ и L₂ сравниваются с длиной внешнего откоса дамбы L₀. Если полученное значение L₁ < L₀ (L₂ < L₀), то считается, что глубина потока у подошвы откоса равна нормальной глубине h₀₁ = h₁₁ и h₀₂ = h₁₂. Если же значение L₁ > L₀ (L₂ > L₀), тогда, задавая L₁ = L₀ (L₂ = L₀), из уравнения (49) определяем глубину потока у подошвы откоса:

                                       (53)

2.3.3. Определение скорости потока в сечении у подошвы откоса дамбы

Скорость и определяется по известному расходу и глубине потока в сечении у подошвы откоса:

                                                      (54)

Из полученных расчетов из двух случаев выбираем максимальные значения параметров потока в сечении у подошвы откоса: глубины h_max и скорости и_max. Ширина потока в этом сечении принимается равной максимальной ширине прорана b_max. Эти величины являются исходными для расчета движения потока по прилегающей к хранилищу местности.

2.4. Расчет максимальных параметров потока по трассе растекания

В зависимости от характера рельефа вытекающий из хранилища поток может быть ограничен боковыми склонами долины, либо растекание может происходить нестесненным образом, если хранилище расположено на плоской местности или в широкой долине.

Учитывая, что хранилища предприятий химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности в основном относятся к овражным, овражно-пойменным и (или) равнинным типам и имеют емкость до нескольких млн. м³, принимаем, что вытекающий поток ограничен постоянным значением боковых склонов ложбин, лога или слабонаклоненных поверхностей поймы или равнины.

В расчете принято допущение о том, что лог по всей длине трассы растекания имеет треугольное сечение.

Для определения параметров потока по трассе растекания русло потока разбивается на участки с постоянными уклонами дна и формой поперечного сечения. На границах участков принимается условие равенства расходов. За расчетное принимается максимальное значение расхода потока Q_п = Q_max, полученное в результате расчета на первом этапе.

Для расчета площади сечения лога на концах выбранных участков задаются характерные абсолютные отметки бортов А_б и дна A_д лога (см. рис. 2).

Для определения формул расчета скорости и_i, глубины h_i и ширины b_i потока [4] вычисляются уклоны i-х участков лога Iл_i

Iл_i = Lл_i / (Aд_i - Aд_i-1),

где Lл_i - длина выбранного i-го участка лога.

Рис. 2. Поперечное сечение лога

Для уклонов Lл_i < 0,01 параметры потока определяются:

скорость потока                                                                                                                                                 (55)

глубина потока                                                                                                                                                 (56)

ширина потока                                                                                                                                                 (57)

где  - относительное расстояние;                                                                                                                                                (58)

b_i = h_i(m'_лi + m'_пi),

здесь m'_лi = ctg α_л и m'_пi = ctg α_п (см. рис. 2).

При i = 0: b₀ = b_max, l₀ = 0,

где m'_л0 и m'_п0 - заложения левого и правого откосов лога у подошвы откоса дамбы соответственно.

Гидродинамическое давление P_i на сооружения, расположенные на пути потока на расстоянии l от подошвы дамбы, вычисляется по формуле

                                                    (59)

где ρ₀ - средняя плотность потока.

Для защиты объектов, попадающих в зону затопления, можно отвести поток через какое-либо пропускное сооружение (водоотводной канал), находящееся на расстоянии l от подошвы дамбы, расчет которого ведется по условию пропуска максимального расхода потока Q_п. Поперечное сечение S_k, обеспечивающее отвод потока, рассчитывается по значению скорости и в этом месте и по максимальному расходу:

                                                            (60)

Приведенные выше формулы позволяют рассчитать параметры потока по длине выбранной расчетной трассы движения на прилегающей к хранилищу местности, нанести их на соответствующий план или карту и определить границы зоны затопления.

Ввиду сложности расчетов и большого числа итераций в ЗАО «Экоцентр-Агрохимбезопасность» разработан комплекс компьютерных программ «PRORAN».

2.5. Определение параметров загрязнения почвы, грунтовых вод и поверхностных водоемов вредными веществами, содержащимися в отходах

2.5.1. Для проведения расчетов приняты следующие допущения:

инфильтрация жидкой фазы на площади затопления через почву и грунт - свободная, т.е. фильтрация происходит без подпора со стороны грунтовых вод;

не учитывается вода, остающаяся в почвенно-растительном слое и в естественных впадинах и понижениях по трассе потока;

не учитывается дифференциация загрязнения по мощности и площади почв, грунтового потока, акватории водоемов.

2.5.1.1. При определении степени загрязнения почвы принимается, что вся масса вредных веществ из профильтровавшейся с поверхности жидкости остается в почвенном слое и распределяется равномерно по глубине слоя и площади затопления.

При расчете не учитывается, что часть вредных веществ из профильтровавшихся стоков, не задерживаясь в почвенном слое, попадает в грунтовые воды.

2.5.1.2. При определении степени загрязнения грунтовых вод принимается, что вся масса вредных веществ из профильтровавшейся с поверхности жидкости попадает в грунтовые воды и распределяется равномерно по мощности грунтового потока и площади затопления.

При расчете не учитывается, что часть вредных веществ из профильтровавшихся стоков останется в почве.

2.5.1.3. При определении параметров загрязнения поверхностных водоемов принимается, что вся масса вредных веществ, содержащихся в вытекшей из хранилища жидкости, распределяется равномерно:

для замкнутых поверхностных водоемов - по всему объему водоема;

для проточных поверхностных водоемов - по сечению водоема.

При расчете не учитывается, что часть вредных веществ из профильтровавшихся в грунтовые воды стоков останется в почве и водоносных грунтах.

2.5.2. Расчет параметров загрязнения почвы [21 - 27]

Объем профильтровавшейся с поверхности почвы жидкости V_ф, м³, определяется по формуле

V_ф = K_фJF_фТ_ф,                                                          (61)

где К_ф - коэффициент фильтрации почвенного слоя, м/сут, определяется по данным изысканий;

J - градиент инфильтрационного потока;

F_ф - площадь фильтрации, м², F_ф = F_з, здесь F_з - площадь затопления при максимальных значениях параметров волны от хранилища до водной преграды (реки, озера, водоотводящего канала);

Т_ф - время фильтрации жидкости, сут, которое определяется:

                                                             (62)

здесь k' - коэффициент, характеризующий время, при котором расход потока в проране больше 0,7Q_max, и определяемый по зависимости Q = f / (Т), полученной по результатам расчетов в п. 2.2.3 (для расчетов рекомендуется принимать k' = 0,3);

Т - время образования прорана, сут (см. п. 2.2.3);

U′_ср и U″_ср - средние рассчитанные значения скоростей потока в проране (см. п. 2.2.3) и по трассе растекания (см п. 2.4).

Значение V_ф не должно превышать общего объема V, вытекшего из хранилища жидкости [см. формулу (35)].

Для каждого i-го вредного вещества, содержащегося в жидких отходах, вычисляется концентрация вредного вещества в почве С_i^п, мг/кг, на площади F_ф:

                                                     (63)

где С_i - концентрация i-го вредного вещества в жидких отходах, мг/л;

М_п - мощность почвенного слоя, м;

 - плотность сухого почвенно-грунтового слоя, т/м³;

 - фоновая концентрация i-го вещества в почве, мг/кг. Параметры М_п и  определяются по данным изысканий.

Полученная концентрация сравнивается с ПДК данного вещества в почве (см. приложение 3).

При отсутствии конкретных исходных данных для ориентировочных оценок рекомендуется пользоваться следующими значениями параметров:

М_п = 0,5 - 1,0, м;

 = 1,4 - 1,6, г/см³;

 = 0.

2.5.3. Расчет параметров загрязнения грунтовых вод [21 - 27]

Объем профильтровавшейся с поверхности жидкости определяется по формуле (61). Для каждого i-го вредного вещества, содержащегося в жидких отходах, вычисляется концентрация вещества в грунтовых водах , мг/л, в зоне затопления:

                                               (64)

где  - концентрация вещества в грунтовых водах до гидродинамической аварии (фоновая концентрация), мг/л;

m^гв - мощность грунтового потока, м;

п^г - пористость водоносных грунтов.

Параметры , m^гв и п^г определяются по данным изысканий. Полученная концентрация сравнивается с ПДК данного вещества в воде (см. приложение 4).

2.5.4. Расчет степени загрязнения поверхностных водоемов. Следует различать два случая:

1. Непроточная водная преграда (замкнутый водоем).

2. Проточная водная преграда.

Объем жидких отходов V_в, попадающих в замкнутый водоем, принимаем равным объему жидкости, вылившейся из хранилища [см. п. 2.2.3, формула (35)]:

V_в = V.

Для каждого из вредных веществ, содержащихся в жидких отходах, вычисляется концентрация в воде замкнутого водоема , мг/л:

                                                     (65)

где V_з - объем замкнутого водоема, м³.

Полученная концентрация сравнивается с ПДК данного вещества в воде (см. приложение 4).

Для проточного водоема удельное содержание вредного вещества в воде проточного водоема , мг/л, составит:

                                                 (66)

где Q_п - расход проточного водоема, м³/сут;

Q_max - максимальный расход изливающегося из хранилища потока, м³/сут (см. п. 2.3.1).

Полученная концентрация сравнивается с ПДК данного вещества в воде.

2.5.5. При наличии соответствующих исходных данных возможно районирование площади фильтрации стоков по значениям К_ф, J, Т_ф, М_п, , , п^г. В этих случаях при определении параметров загрязнения почвы и грунтовых вод для каждого выделенного района (r) рассчитывают величины V_ф(r), (r).

2.5.6. Учет сорбции, ионного обмена, окислительно-восстановительных, других физико-химических и биохимических процессов, которые происходят с вредными веществами при фильтрации стоков через почвенный слой и грунты, может привести к снижению параметров загрязнения.

2.6. Показатели последствий гидродинамических аварий на хранилищах отходов предприятий химического комплекса

2.6.1. Показатели последствий гидродинамической аварии характеризуются следующими видами опасных явлений: гибелью людей, нанесением ущерба здоровью и нарушением условий жизнедеятельности людей, разрушением и повреждением зданий и сооружений, загрязнением окружающей природной среды.

Величина показателя последствий является количественной оценкой уровня безопасности.

Исследования показали устойчивость результатов расчета показателей последствий аварии к вариации параметров, принимаемых в соответствии с допущениями, принятыми в пп. 2.2.2.2 - 2.2.2.4.

Определяемые в методике величины показателей последствий являются количественной оценкой уровня безопасности гидродинамической аварии и могут использоваться при оценке количества пострадавших людей, материальных потерь, ущерба окружающей среде, определении класса чрезвычайных ситуаций.

2.6.2. Показатели последствий силового воздействия волны прорыва на человека, здания и сооружения (гибель, нанесение ущерба здоровью и нарушение условий жизнедеятельности людей, разрушение и повреждение зданий и сооружений) определяются для территории в пределах зоны затопления, в границах которой воздействие волны опасно для жизни или здоровья человека, может вызвать разрушение и повреждение зданий и сооружений.

2.6.2.1. Показатель последствий силового воздействия волны прорыва на человека (Z_N) определяется количеством людей, постоянно (N₁) или временно (N₂) находящихся в зоне воздействия волны прорыва, значения параметров которой равны или превышают критические значения для жизни и здоровья человека:

Z_N = N₁ + N₂P_ч^в, чел,                                                (67)

где P_ч^в - вероятность пребывания человека в зоне силового воздействия волны прорыва в течение суток.

Например, если в зоне затопления люди присутствуют круглосуточно, P_ч^в = 1; если в зоне затопления люди присутствуют неполные сутки, например одну смену (8 ч), - P_ч^в = 0,33.

В качестве критического значения параметра волны прорыва может быть принята, например, глубина потока в зоне растекания h_max ³ 1,5 м или параметры потока, приводящие к разрушению зданий и сооружений, в которых находятся люди.

2.6.2.2. Показатель силового воздействия волны прорыва Z_c на здания и сооружения определяется прочностными характеристиками зданий и сооружений, а также параметрами волны прорыва (гидродинамическое давление, скорость и глубина потока):

                                                         (68)

Если φ_c(i) ³ φ_lim(i), то . Если φ_c(i) < φ_lim(i), то ,

где φ_c(i) - значение параметра гидродинамической волны прорыва;

φ_lim(i) - предельное значение параметра волны прорыва для данного вида i-го здания или сооружения (см. приложение 5);

п - количество зданий и сооружений, оказавшихся в зоне затопления.

Показатель Z_c численно равен количеству зданий и сооружений, подвергшихся повреждению или разрушению.

2.6.2.3. Показатель последствий гидродинамической аварии по воздействию на окружающую среду определяется соотношением концентраций загрязняющих веществ в почве (), грунтовых водах (), в водоемах () и соответствующих предельно допустимых концентраций (С_ПДК).

Рассчитав показатель для отдельных вредных веществ как Zi = Ci / С_ПДК(i), выбирают несколько веществ, имеющих наибольшее значение Zi, и определяют суммарный показатель последствий (Z_п).

Показатели определяются по каждому элементу окружающей среды - почва, грунтовые воды [24]:

                                                      (69a)

                                                     (69б)

                                                       (69в)

где k - количество суммируемых вредных веществ.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Леви И.И. Динамика русловых процессов. Л.: Госэнергоиздат, 1957.

2. Гончаров В.Н. Динамика русловых потоков. Л.: Гидрометеоиздат, 1962.

3. Кнороз В.С. Безнапорный гидротранспорт и его расчет // Известия ВНИИГ. 1951. Т. 44.

4. Чугаев Р.Р. Гидравлика. Л.: Энергоиздат, 1982. С. 573, табл. П-4.

5. Исследование и расчет волны прорыва из хвостохранилища Михайловского ГОКа. М.: ВНИИВОДГЕО, 1978.

6. Временные методические рекомендации по расчету зон при внезапном прорыве ограждающих дамб хвостохранилищ. Белгород: ВИОГЕМ, 1981.

7. Рекомендации по расчету охранных зон хвостохранилищ. Л.: Механобр, 1984.

8. РД 09-255-99. Методические рекомендации по оценке технического состояния и безопасности хранилищ производственных отходов и стоков предприятий химического комплекса.

9. ГОСТ 19185-73. Гидротехника. Основные понятия. Термины и определения.

10. СНиП II-89-80. Генеральные планы промышленных предприятий. М., 1990.

11. ПБ 06-123-96. Правила безопасности при эксплуатации хвостовых, шламовых и гидроотвальных хозяйств.

12. ГОСТ 25100-82. Грунты. Классификация.

13. ГОСТ 25584-90. Грунты. Методы лабораторного определения коэффициента фильтрации.

14. Геологический словарь. М.: Недра, 1978. Т. 1.

15. ГОСТ Р 22.0.05-94. Термины и определения.

16. РД 03-268-99. Порядок разработки и дополнительные требования к содержанию декларации безопасности гидротехнических сооружений на подконтрольных Госгортехнадзору России предприятиях (организациях).

17. Гидротехнические сооружения: Справочник проектировщика / Под ред. В.П. Недриги. М.: Стройиздат, 1983. 543 с.

18. Пособие по гидравлическим расчетам малых водопропускных сооружений. М.: Транспорт, 1992. 408 с.

19. Закс Л. Статистические оценивания. М.: Статистика, 1976. С. 130 - 131.

20. Кнороз В.С. Неразмывающие скорости для несвязных грунтов и факторы, их определяющие // Известия ВНИИГ. 1958. Т. 59.

21. Перечень ПДК и ОДК химических веществ в почве. М., 1993.

22. ГН 2.1.5.689-98. ПДК химических веществ водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования.

23. Перечень ПДК вредных веществ для воды рыбохозяйственных водоемов. М., 1995.

24. СНиП 2.06.15-85. Инженерная защита территорий от затопления и подтопления. М., 1990.

25. СНиП 1.02.07-87. Инженерные изыскания для строительства. М., 1988.

26. СНиП 2.02.02-85. Основания гидротехнических сооружений. М., 1988.

27. ГОСТ 5180-84. Грунты. Метода лабораторного определения физических характеристик.

28. Мальцев В.А. Методики оценки обстановки на промышленном предприятии при чрезвычайных ситуациях. М.: ИПК Госслужбы, 1993.

Приложение 1

ВЫВОД ФОРМУЛ РАСЧЕТА ПЛОТНОСТИ И ВЯЗКОСТИ ЖИДКОСТИ ДЛЯ ОТХОДОВ С НЕОДНОРОДНЫМ СОСТАВОМ

Для оценки изменения плотности по глубине слоя жидкости и неконсолидированных отходов делаются допущения о нелинейной закономерности, описывающей это явление.

Предполагается, что закономерность, описывающая изменение плотности отходов по глубине слоя, имеет вид

,                                                      (п. 1.1)

где ρ_жj - плотность j-го слоя;

 - глубина до j-го слоя;

а, b и k - параметры используемой закономерности.

Для определения параметров необходимы измерения плотности отходов на трех уровнях: верхнем , среднем  и нижнем . В качестве параметра b используется величина плотности жидких отходов в верхнем слое, т.е.

                                                              (п. 1.2)

Подставляя значение в уравнение (п. 1.1) и логарифмируя, получим

                                             (п. 1.3)

Для нижнего слоя формула (п. 1.3) будет иметь вид

                                              (п. 1.4)

Для среднего слоя формула (п. 1.3) будет иметь вид

                                              (п. 1.5)

Решая совместно уравнения (п. 1.4) и (п. 1.5), получим

                              (п. 1.6)

Преобразуя уравнение (п. 1.6), окончательно получаем

                                                    (п. 1.7)

Для определения а подставляем в выражение для k формулу (п. 1.4). После преобразования окончательно имеем

                                                             (п. 1.8)

Подставляя значения k и а в уравнение (п. 1.1), получим

                                                  (п. 1.9)

Для оценки изменения вязкости по глубине слоя жидкости и неконсолидированных отходов делаются допущения о нелинейной закономерности, описывающей это явление.

Предполагается, что закономерность, описывающая изменение вязкости отходов по глубине слоя, имеет вид

                                                  (п. 1.10)

где v_j - вязкость j-го слоя;

 - глубина до j-го слоя;

а, b и k - параметры используемой закономерности.

Для определения параметров необходимы измерения вязкости отходов на трех уровнях: верхнем v^в, среднем v^с и нижнем v^н.

В качестве параметра b используется величина вязкости жидких отходов в верхнем слое, т.е.

b = v^в.                                                                (п. 1.11)

Вывод формулы                                                                    (п. 1.12)

где                                                                                                 (п. 1.13)

ведется аналогично выводу формулы (п. 1.9) для плотности.

Приложение 2

Функции относительной глубины φ(η_ij) [4]

^* Гидравлический показатель русла.

^** Значения относительной глубины, определяемые в п. 2.3.2 по формулам (49а) - (49г).

Приложение 3

Предельно допустимые концентрации в почве (ПДК) некоторых химических веществ, характерных для хранилищ жидких отходов предприятий химического комплекса [21]

^а ПДК серной кислоты может быть использована для оценки загрязнения почвы сульфат-ионом.

^б ПДК хлористого калия может быть использована для оценки загрязнения почвы хлорид-ионом.

^в ПДК бензина может быть использована для ориентировочной оценки загрязнения почвы нефтепродуктами с низкой температурой кипения (до 200 ºС).

^* Подвижная форма элемента, извлекаемая из почвы ацетатно-аммонийным буферным раствором рН 4,8.

^** Водорастворимая форма.

^*** Лимитирующий признак вредности - признак, характеризующийся наименьшей безвредной концентрацией вещества (при использовании различных тестов).

Лимитирующие признаки вредности в почве:

воздушно-миграционный - характеризует переход вещества из почвы в атмосферу;

транслокационный - характеризует переход вещества из почвы через корневую систему в зеленую массу и плоды растений;

общесанитарный - показатель, характеризующий влияние химического вещества на самоочищающую способность почвы.

Приложение 4

Предельно допустимые концентрации в воде (ПДК) некоторых химических веществ, характерных для хранилищ жидких отходов предприятий химического комплекса [22, 23]

^а с учетом валового содержания всех форм;

^б эта ПДК для суммы летучих фенолов при условии применения хлора для обеззараживания воды, в иных случаях ПДК = 0,1 мг/л;

^в по РО₄;

^г по Р;

^д цианиды простые и комплексные (за исключением цианоферратов) в расчете на цианид-ион;

^е в дополнение к фоновому, но не выше их суммарного содержания 0,75 мг/л;

^ж для климатических районов  I - II - 1,5 мг/л;

                                                      III - 1,2 мг/л;

                                                      IV - 0,7 мг/л;

^з для хозяйственно-питьевого водоснабжения 15 мг О₂/л; для культурно-бытового - 30 мг О₂/л.

^* В скобках приведен лимитирующий признак вредности [признак, характеризующийся наименьшей безвредной концентрацией вещества (при использовании различных тестов)]:

с.-т. - санитарно-токсикологический (характеризует влияние химического вещества в воде на здоровье человека);

общ. - общесанитарный [характеризует влияние химического вещества на самоочищение воды в водоемах (процессы биохимического окисления, сапрофитную микрофлору и т.п.)];

орг. - органолептический (привкус, запах, окраска);

токс. - токсикологический.

^** Химическая потребность в кислороде (ХПК) - интегральный показатель загрязнения органическими веществами (количество кислорода, эквивалентное количеству расходуемого окислителя, необходимое для восстановления всех восстановителей, содержащихся в воде).

Приложение 5

Характер разрушений инженерно-технического комплекса промышленного объекта при воздействии волны прорыва [28]

^* Высота потока выше проезжей части сооружения.