Снижение последствий аварийных ситуаций на водных объектах

Red and white cranes stand by reactors of the tsunami-ravaged Fukushima Dai-ichi nuclear power plant in Fukushima Prefecture, northeastern Japan, Monday morning, March 11, 2013. The two-year anniversary Monday of Japan’s devastating earthquake, tsunami and nuclear catastrophe is serving to spotlight the stakes of the country’s struggles to clean up radiation, rebuild lost communities and determine new energy and economic strategies. (AP Photo/Kyodo News)  JAPAN OUT,  MANDATORY CREDIT, NO LICENSING IN CHINA, HONG KONG, JAPAN, SOUTH KOREA AND FRANCE

Аварийные ситуации: анализ возможных последствий и снижение негативного воздействия на водный объект.

Краткое описание проекта:

Аварийное состояние водного объекта может быть связано как с нарушением системы водообеспечения или с выбросами вредных веществ. Первый вид аварии может произойти в водных объектах с искусственной подачей воды, например, в наливных водохранилищах, в зарегулированных каналах, в нижних бьефах плотин гидроэлектростанций.

Выбросы загрязняющих веществ могут происходить, например, при прорыве ограждающих конструкций накопителей, резервуаров, хранилищ ,а также при выходе из штатного режима водоочистных сооружений. Обычно такие аварии носят залповый выброс загрязняющих веществ в водный объект. Последствия аварии в общем случае определяются как количеством поступающих загрязняющих веществ, так и периодом, в течение которого происходит аварийный выброс. При достаточной продолжительности этого периода распространение волны « повышенной концентрации» загрязняющего вещества в водотоке может рассматриваться как квазистационарный процесс. Оценочные расчёты показывают, что для реки со средней глубиной 2м. и скорости течения около 0,3 м/сек.   на расстоянии от места аварии 20 км и меньше, для определения концентрации загрязняющих веществ могут использоваться стационарные модели, если продолжительность аварийного выброса около 4 часов или более. При нормативном среднем периоде восстановительных работ, например, оборудования насосных станций от 8 час. и более, можно во многих случаях использовать квазистационарную модель расчёта. С другой стороны, при изучении последствий распространения волны «повышенной концентрации» загрязняющего вещества на очень значительные расстояния от места аварии, необходимо использовать нестационарную модель расчёта.

В случае, если авария может рассматриваться как стационарный точечный источник загрязнения, расчёты могут производиться в соответствии с теорией ограниченных струй.

В общем случае детальный анализ последствий аварии может быть выполнен на базе численной модели. При этом особое внимание необходимо уделить определению коэффициентов продольной и поперечной дисперсии.

Не полностью изучена также барьерная роль водохранилищ в случае продолжительной аварии. Проходя через водохранилище, волна « повышенной концентрации»   трансформируется, пиковые значения превышения загрязняющих веществ над фоновыми значениями снижаются. При этом, однако, вследствие загрязнения донных грунтов водохранилища и последующего вторичного загрязнения воды вследствие диффузионного выщелачивания загрязнений, возможно долговременное ухудшение качества воды в водохранилище. Подобная ситуация имела место, например при крупной аварии на Череповецком металлургическом комбинате с выбросами большого количества загрязняющих веществ в Рыбинское водохранилище, при аварии на Чернобыльской АЭС и др.

Основные цели проекта:

  1. Анализ статистических данных по основным характеристикам аварийных ситуаций на водных объектах: частота аварийных ситуаций для различных систем, периоды восстановления оборудования, последствия аварийных ситуаций
  2. Разработка иерархии моделей для расчёта распространения « волны концентрации» в водотоке
  3. Разработка методики моделирования распространения и осаждения мельчайшей взвеси в руслах водотоков после аварий.
  4. Моделирование сорбционно — десорбционных процессов и разработка методики расчёта вторичного загрязнения в водных объектах
  5. Определение барьерной роли водохранилищ при распространении в них волны повышенной концентрации в случае аварий.
  6. Уточнение структуры и коэффициентов модели на базе диагностических расчётов для реальных аварийных ситуаций
  7. Разработка мер по снижению уровня аварийности, негативных последствий аварийных выбросов, как в водном объекте, так и в определённых его зонах.

Опыт разработок по тематике проекта:

Прогнозирование качества воды р. Уфа в районе расположения водозаборов г. Уфа. ( научный руководитель Ф.Г.Майрановский, ответственный исполнитель С.Н.Шашков).В качестве одной из решаемых задач, рассматриваются возможные негативные последствия аварийных ситуаций г. Уфа. Даётся обоснование возможности использования стационарной модели для расчёта повышения концентраций загрязняющих веществ после аварии. Выполнен расчёт изменения концентрации загрязняющего вещества по ширине речного русла с учётом поперечной дисперсии. Так как аварийный выброс осуществлялся в приток р. Уфа, расчёты выполнялись по методике , позволяющей определять распределение концентраций по ширине при смешении двух рек различной загрязнённости. Выполненные расчёты позволили установить, что при аварии с выбросом фенолов в концентрации, превышающих нормативные значения в 40 000 раз, концентрация их у водозаборов в период такой крупной аварии снижаются не более, чем в 100 раз. Результаты расчётов удовлетворительно согласуются с данными измерений в условиях рассматриваемой аварии.

Современное состояние и прогноз качества воды р. Томь. ( научный руководитель Ф.Г.Майрановский, ответственный исполнитель С.Н.Шашков).

Среди большого числа рассматриваемых проблем по анализу современного состояния реки Томи (на момент написания отчёта в 1991г.) и детального прогноза изменения качества воды в случае реализации проекта по строительству Крапивинского водохранилища, приводятся результаты модельных расчётов по распространению волны повышенной концентрации по длине реки. В качестве возможных реальных вариантов аварийных ситуаций были выбраны следующие:

Авария на очистных сооружениях г. Новокузнецка, при которой 50% сточных вод сбрасывалось в р. Томь, минуя очистные сооружения, авария на очистных сооружениях г. Кемерово и прорыв дамбы гидроотвала Западно-Сибирского металлургического комбината вблизи г. Новокузнецка.

С учётом процессов самоочищения реки и процессов разбавления и дисперсии на участке реки от г. Новокузнецка до г. Томск (около 400 км) величина прироста концентрации снижается более, чем в 10 раз. Расчёты показывают, что строительство Крапивинского водохранилища позволяют полностью снизить концентрации до фоновых значений. Таким образом, создание водохранилища существенно снижает пиковые негативные последствия аварийных ситуаций.

Для расчёта изменения концентрации мелкодисперсной взвеси по длине р. Томь использовалась нестационарная одномерная модель, учитывающая продольную дисперсию и самоочищение. Предложена приближённая модель диффузионного осаждения мелкодисперсной взвеси и получено значение аналога коэффициента самоочищения. Показано в результате расчётов, что пиковые концентрации мелкой взвеси снижаются на участке р. Томь от Новокузнецка до г. Томска примерно в 300 раз. В случае строительства водохранилища вся мелкая взвесь осаждается в нём и не оказывает негативное воздействие на качество воды в нижнем бьефе.