Мониторинг и прогнозирование чрезвычайных ситуаций в системе: атмосферный воздух — почвенный слой на объектах нефтегазового комплекса

Система мониторинга и прогнозирования чрезвычайных ситуаций включает в себя в качестве основных элементов комплекс технических средств и систему методов наблюдений, обработки данных и анализа ситуаций. Опережающее отражение вероятности возникновения и развития чрезвычайной ситуации строится на основе анализа возможных причин ее возникновения, ее источника в прошлом и настоящем.

Человечество вступило в новую эру своего существования, когда потенциальная мощь создаваемых им химических, биологических и физических средств воздействия на среду обитания становится соизмеримой с силами природы.

Обретает черты реальности предсказание великого естествоиспытателя В. И. Вернадского о том, что хозяйственная деятельность человека становится силой, способной изменить мир, поставив его на грань экологической катастрофы [1].

Несмотря на большие усилия, предпринимаемые по защите окружающей среды, как в международном, так и в национальных масштабах, ее качество продолжает ухудшаться. По данным Европейского парламента, только Западная Европа ежегодно загрязняется более чем двумя миллиардами тонн отходов, в том числе токсичными веществами. Особенно большой вклад в загрязнение окружающей среды вносят энергетический комплекс, транспорт переработкой угля, нефти и газа [2].

За XX век масштабы экономики выросли в 20 раз, использование природного топлива увеличилось в 30 раз, произошло расширение промышленности ~ в 50 раз. В процессе производства образуется большое количество веществ, которые невозможно разложить биологическим путем, и они накапливаются в атмосфере, гидросфере и почве, нарушая деятельность большинства экосистем.

Как известно, на различные элементы биосферы оказываются естественные и антропогенные воздействия. Что касается постоянных естественных воздействий, то они, как правило, компенсируются саморегулирующей способностью экосистем. Антропогенное воздействие может привести к сдвигу экологического равновесия и, если оно превышает определенный уровень, к возникновению чрезвычайной ситуации. В связи с этим для решения задач, связанных с обеспечением экологической безопасности, весьма важным является знание приемлемых уровней антропогенного воздействия, в частности уровней загрязнения окружающей среды и нагрузок, падающих на человека, популяции животных и растений, биогеоценозы.

На территории России выделяются следующие районы наибольшего экологического неблагополучия: зона аварии Чернобыльской АЭС, Кольский полуостров, Новая Земля, нефтегазопромысловые районы Западной Сибири, Норильский район, промышленная зона Урала, Среднее Поволжье, Кузбасс, Приангарье, Московский регион, береговая зона Черного и Азовского морей, Калмыкия, низовье Волги. В этих зонах, в первую очередь, необходимо проведение срочных и кардинальных мер по контролю, оценке и прогнозу экологической ситуации и на этой основе оздоровлению окружающей среды [3].

Использование ископаемого топлива как источника энергии, бесспорно, является основной причиной загрязнения воздуха. Наибольшее загрязнение атмосферы приходится на долю оксидов углерода, соединений серы и азота, углеводородов и промышленной пыли. За год в атмосферу Земли выбрасывается — 200 млн. т оксида углерода. — 20 млрд. т диоксида углерода, ~ 150 млн. т диоксида серы, — 50 млн. т оксидов азота, ~ 250 млн. т пыли, ~ 50 млн. т различных углеводородов [3].

С другой стороны, в ряде случаев могут создаваться ситуации, когда концентрации примесей в атмосфере помимо вредного токсикологического воздействия могут создавать угрожающие пожаровзрывоопасные ситуации, поскольку многие из загрязнителей атмосферы являются горючими веществами.

До настоящего времени не разработанной остается проблема изучения инородных техногенных нефтепродуктов, рассеянных в различных природных средах и находящихся в состоянии динамического равновесия между атмосферой, гидросферой и литосферой. С трудом поддаются качественной и количественной оценке процессы взаимного перехода опасных и вредных веществ между этими средами, способные создавать чрезвычайные ситуации в какой-либо из них.

Одной из причин возникновения проблем при прогнозировании и мониторинге чрезвычайных ситуаций является слабое оснащение аналитическим оборудованием и адаптированными к нему современными методиками контроля химических, биологических и физических факторов воздействия на природные и антропогенные экосистемы.

Эффективное противодействие возникновению чрезвычайных ситуаций становится невозможным без дальнейшего совершенствования системы наблюдения, оценки и прогноза химических загрязнений техногенного происхождения (системы химического мониторинга), с учетом современных требований по составу индуцируемых веществ, диапазонам измерения их концентраций и другим признакам.

Согласно ГОСТ Р 22.1.01−95 [4] система мониторинга и прогнозирования чрезвычайных ситуаций должна состоять из следующих основных элементов:

— организационной структуры;

— общей модели системы, включая объекты мониторинга;

— комплекса технических средств;

— моделей ситуации (моделей развития ситуаций);

— методов наблюдений, обработки данных, анализа ситуаций и прогнозирования;

— информационной системы.

Целью настоящей работы является совершенствование отдельных элементов системы мониторинга и прогнозирования чрезвычайных ситуаций на объектах нефтегазового комплекса, включая объекты мониторинга, комплекс технических средств, систему методов наблюдений.

Задачи исследования.

1. Провести сравнительную оценку регламентируемых параметров состояния воздушной среды на объектах нефтегазового комплекса, контролируемых прямыми методами анализа. Предложить косвенные устойчивые характеристики состояния системы: атмосферный воздух — почвенный слой, приемлемые для оценки вероятности возникновения чрезвычайных ситуаций.

2. Обосновать методическую схему прогнозирования чрезвычайных ситуаций, на основе мониторинга содержания вредных компонентов нефтепродуктов, находящихся в динамическом равновесии в системе: атмосферный воздух — почвенный слой, сочетающую прямые измерения концентраций на местах контроля с исследованием их состава и количеств лабораторными методами.

3. Разработать методику исследования газообразных углеводородов в пробах почвенных отложений методом анализа равновесной паровой фазы (АРП) с ее последующим газохроматографическим анализом без предварительного концентрирования.

4. Разработать методику анализа равновесного пара летучих компонентов нефтепродуктов, позволяющую по составу и количеству легких углеводородов в почвенных отложениях на объектах нефтегазового комплекса определять устойчивые характеристики долговременного состояния атмосферного воздуха и прогнозировать чрезвычайные ситуации.

Предмет исследования.

Работа направлена на совершенствование систем и средств прогнозирования и мониторинга чрезвычайных ситуаций.

Объекты исследования.

Система: приземный слой атмосферы — почвенный слой, содержащая газообразные и легкокипящие жидкие компоненты нефтепродуктов, формирующие вредные и опасные факторы на объектах нефтегазового комплекса. Пробы атмосферного воздуха в рабочих зонах и в населенных местах. Почвенные отложения, отобранные на территориях размещения объектов нефтегазового комплекса.

Методы исследования.

Поставленные в работе задачи решались экспериментально и аналитически с использованием лабораторного моделирования, инфракрасной спектроскопии (ИКС), газожидкостной хроматографии (ГЖХ). Обработка результатов анализов осуществлялась на ПЭВМ.

Научная новизна.

На основании проведенной сравнительной оценки прямых методов измерения параметров состояния воздушной среды на объектах нефтегазового комплекса, не всегда объективно отражающих обстановку в местах контроля, предложено в качестве устойчивой характеристики, косвенно отражающей состояние системы атмосферный воздух — почвенный слой, использовать данные по содержанию легких углеводородов в почвенных отложениях.

Предложена общая модель системы: атмосферный воздух — почвенный слой, содержащей находящиеся в динамически равновесном состоянии легкокипящие нефтепродукты и подобные им горючие жидкости.

Разработан комплекс технических средств и система методов наблюдений, для обработки данных, анализа ситуаций и прогнозирования чрезвычайных ситуаций при функционировании предложенной модели в условиях предприятий нефтегазового комплекса.

Комплекс технических средств включает фотоионизационный газоанализатор и созданный на его базе пробоотборник для улавливания из воздуха вредных органических компонентов с концентрированием на пористых сорбентах, а также лабораторную установку анализа равновесного пара циркуляционного типа с одновременным газохроматографическим и ИК-спектрометрическим детектированием.

Система методов наблюдений за содержанием и составом вредных компонентов нефтепродуктов в воздушной среде состоит из прямых измерений концентраций на местах контроля, отбора проб газовой фазы, отбора проб почвенных отложений, газовой термической экстракции, анализа равновесного пара методами газожидкостной хроматографии и ИК-спектроскопии.

Практическая значимость работы.

Разработанный комплекс позволяет по составу и количеству легких углеводородов в почвенных отложениях вблизи объектов нефтегазового комплекса определять устойчивые характеристики долговременного состояния системы атмосферный воздух — почвенный слой, химически идентифицировать и количественно определять компоненты, содержащиеся в анализируемых пробах.

Внедрение предлагаемых методов мониторинга устойчивого состояния воздушной среды в приземном слое на основании косвенных данных по содержанию легколетучих компонентов нефтепродуктов в почвах повышает достоверность оценки потенциального состояния воздушного бассейна на объектах нефтегазового комплекса, позволяет выделять наиболее опасное зоны и прогнозировать чрезвычайные ситуации.

Комплексная система мониторинга опасных и вредных факторов производственной среды опробована при исследовании образцов, изъятых с объектов нефтегазового и нефтехимического комплексов.

Результаты работы использованы в практической деятельности ОАО «Воронежсинтезкаучук» и станции сжиженных газов ФГУП «СГ — Транс», и способствовали повышению эффективности и достоверности определения состояния производственной среды.

Основные положения работы используются в учебном процессе Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России при проведении занятий по курсу «Расследование пожаров».

Фактический материал.

Достоверность выводов, сформулированных в диссертации, определяется значительным объемом экспериментального материала по изучению углеводородных газов и легкокипящих жидкостейпроб воздушного бассейна и почвенных отложений на объектах нефтегазового и нефтехимического комплексов.

Апробация работы.

Основные результаты исследования докладывались на конференции «Перспективы развития химической переработки горючих ископаемых» (СПб, 2006 г.), научно-практической конференции «Предупреждение, спасение, помощь» (Химки, 2006), международной научно-практической конференции «Проблемы взаимодействия МВД и МЧС России в сфере обеспечения безопасности дорожного движения» (СПб, 2006), международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы защиты населения и территорий от пожаров и катастроф» (СПб, 2006), конференции «Технические и социально-гуманитарные аспекты профессиональной деятельности ГПС МЧС России: проблемы и перспективы» (Воронеж, 2006).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 печатные работы.

Основные положения, выносимые на защиту.

Элементы системы мониторинга и прогнозирования чрезвычайных ситуаций на объектах нефтегазового комплекса, базирующиеся на эмпирической модели системы: атмосфера — почвенный слой, содержащей в качестве объектов мониторинга легколетучие компоненты нефтепродуктов.

Комплекс технических средств и система методов наблюдений за содержанием и составом вредных компонентов нефтепродуктов в воздушной среде, состоящие из прямых измерений концентраций на местах контроля переносными газоанализаторамигазовой термической экстракции и анализе равновесного пара.

Способ обнаружения и диагностики малых и следовых количеств опасных и вредных веществ в почвенных отложениях, основанный на анализе равновесного пара легколетучих компонентов горючих жидкостей в установке циркуляционного типа с совместным газохроматографическим и ИК-спектрометрическим детектированием.

Объем и структура работы. Работа состоит из введения, трех глав и заключения общим объемом 131 стр., включая список литературы из 118 наименований, 33 рисунка, 19 таблиц.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В работе проведена сравнительная оценка регламентируемых параметров экологического и пожароопасного состояния воздушной среды на объектах нефтегазового комплекса, контролируемых прямыми методами анализа. Нормирование содержания вредных веществ в воздухе определяется величиной предельно допустимой концентрации примесей в атмосфере (ПДК). Индекс ПДК используется для классификации экологической обстановки по степени ее неблагополучия. В частности, по этому параметру выделяют чрезвычайную экологическую и ситуацию экологического бедствия. Выявлено, что прямые измерения не всегда объективно отражают обстановку в местах контроля. В работе предлагаются косвенные устойчивые характеристики состояния воздушного бассейна, которые можно применять для оценки вероятности возникновения чрезвычайных ситуаций.

Атмосферный воздух на местах контроля предложено рассматривать в качестве неотъемлемого элемента единой динамической вероятностной системы: атмосфера — почвенный слой, где каждый элемент влияет на положение и роль других элементов внутри целого. Содержащиеся в указанной системе вредные и опасные легколетучие компоненты нефтепродуктов и подобных им горючих жидкостей являются объектом мониторинга.

В результате проделанной работы предложен комплекс технических средств и система методов наблюдений, для обработки данных, анализа ситуаций и прогнозирования чрезвычайных ситуаций при функционировании предложенной модели в условиях предприятий нефтегазового комплекса.

Система методов наблюдений за содержанием и составом вредных компонентов нефтепродуктов в воздушной среде состоит из прямых измерения концентраций на местах контроля, отбором проб газовой фазы, отбором проб почвенных отложений, газовой термической экстракции, анализа равновесного пара методами газожидкостной хроматографии и ИК-спектроскопии.

Прямые измерения проводятся переносными газоанализаторами и наиболее объективно отражают обстановку в замкнутых плохо проветриваемых помещениях. На открытых площадках прямые измерения могут быть использованы только в качестве экстренного параметра чрезвычайной ситуации.

Состав и количество компонентов, выделяющихся в атмосферу из почвенного слоя с концентрированием на пористых сорбентах, предлагается контролировать двумя независимыми методами:

— путем отбора проб приземного слоя воздуха с использованием в качестве пробоотборного устройства портативного переносного газоанализатора с фотоионизационным детектором (например, VX500 или аналогичного ему);

— путем анализа равновесного пара компонентов, непосредственно содержащихся в пробах почв, отбираемых на местах контроля.

Для лабораторных исследований разработан способ обнаружения и диагностики малых и следовых количеств опасных и вредных веществ в почвенных отложениях, основанный на анализе равновесного пара легколетучих компонентов горючих жидкостей в установке циркуляционного типа.

В работе впервые использован циркуляционный метод анализа равновесного пара с одновременным и непосредственным определениием компонентов равновесной смеси методами газовой хроматографии и ИК-спектроскопии.

Разработанный комплекс позволяет по составу и количеству легких углеводородов в почвенных отложениях на объектах нефтегазового комплекса определять устойчивые характеристики долговременного состояния системы: атмосферный воздух — почвенный слой, химически идентифицировать и количественно определять компоненты, содержащиеся в анализируемых пробах, устанавливать на этой основе зоны наибольшего неблагополучия и прогнозировать чрезвычайные ситуации.

Оценку экологического состояния почвенного слоя, влияющего на состояние приземного слоя атмосферы, предлагается проводить с помощью аналитических параметров диагностики следов горючих жидкостей, позволяющих по количественному содержанию в почвах вредных и их качественному составу косвенно оценивать потенциальное состояние воздушного бассейна на объектах нефтегазового комплекса и выделять наиболее опасное зоны.

Измеряемые аналитические параметры включают определение количественного содержания вредных компонентов почв методом ИК-спектрометрии при стандартной длине волны (аналогично стандартному методу определения нефтепродуктов в водах) и методом прямого газохромато-графического анализа газовой фазы с использованием эталонных смесей.

Диагностику органических компонентов почв проводят на основании выявления функционального и индивидуального состава анализируемых веществ путем совместного применения методов ИК-спектроскопии и газовой хроматографии.

Разработанные элементы системы мониторинга и прогнозирования чрезвычайных ситуаций апробированы на промышленных объектах, в производственном цикле которых хранятся и используются продукты нефтегазового и нефтехимического производств.