Мониторинг и экспертиза. Безопасность технологических процессов и производств и бакалавров направления 280700 Техносферная безопасность Белгород 2013 3
 Скачать 4.49 Mb.
|
|
атомно-энергетических комплексов Источник отходов Тип радиоактивности Физическое состояние Типичные изотопы Добыча и переработка радиоактивных руд Естественная Твердое Уран Радий Торий Жидкое Радий Газообразное Радон Изготовление уранового топлива на заводах Твердое Уран Жидкое Уран Газообразное Уран Эксплуатация атомных реакторов Продукты деления топлива Твердое Кобальт Кобальт Железо Марганец Церий- 144 Жидкое Цезий Цезий Тритий Йод Стронций Газообразное Азот Аргон Сера Сера Йод Ксенон Переработка топлива на заводах Продукты деления трансурановых элементов Твердое Америций Стронций Жидкое Цезий Плутоний Церий Тритий Цирконий Газообразное Йод Йод Криптон Как показывает опыт работы отечественных АЭС, их эксплуатационный режим оказывает незначительное радиохимическое воздействие на окружающую среду, не превышающее 2% от суммы космического и почвенного облучения. Сбросы в открытые водоемы невелики и составляют менее 37 ГБк долгоживущих нуклидов в годна мВт 67 установленной мощности. Наибольший вклад в эту активность вносят изотопы цезия и -137, а также некоторые радионуклиды – продукты коррозии. Наибольшую опасность представляют аварийные выбросы радионуклидов в окружающую среду, которые могут многократно перекрыть все фоновые нормативы. Радиоактивные вещества включаются геохимический круговорот в биосфере и оказывают негативное воздействие на все живые организмы в период всего времени жизни. Например, стронций и цезий с периодами полураспада около 30 воздействует на несколько поколений человека. В случае попадания радиоактивных веществ в объекты геологической среды мониторинг позволяет найти оптимальные способы локализации загрязнений и их ликвидации. Разрабатывая в системе мониторинга геологической среды наблюдательную сеть, следует иметь ввиду, что миграция радионуклидов в зоне гипергенеза осуществляется атмосферным, водным, биологическими механическим (техногенным) путем. Сами элементы мигрируют в форме ионов, комплексных соединений, коллоидов, растворенных и свободных газов. На геохимических барьерах радиоактивные элементы теряют свою подвижность, как, например, цезий в глинистых почвах и торфяниках. В зоне гипергенеза наиболее распространенным является карбонатный геохимический барьер, который контролирует концентрацию щелочноземельных и многих других элементов. Он проявляется как в окислительной, таки в восстановительной обстановке. В системе мониторинга наличие природных геохимических барьеров должно учитываться в первую очередь. Основное внимание следует уделять также радионуклидам, которые переносятся водой в ионной, молекулярной или комплексной форме. Именно эти формы усваиваются биотой, а значит, создают пути биологической миграции в организм человека – так называемые пищевые цепи. В случае попадания радионуклидов вводу они усваиваются аналогично стабильным элементам. При этом практическое значение имеют в первую очередь только долгоживущие радионуклиды, например цезий, стронций, плутоний. По степени поступления в растения из почвы радионуклиды можно расположить в следующий ряд Sr-89>Sr-90>I-131>Ba-140>Cs-137>Ru-106>Ce-144>Y-90> >Y-91>Pm-147>>Zn-95>Nb-95>Po-210 68 Миграция радионуклидов зависит также от типа почвы, которая определяет ее поглотительную способность наименьший переход радионуклидов отмечается из черноземных высокогумусных почв, наибольший – из торфяно-болотистых почв. В случае рядовых аварий атомных реакторов (без расплавления активной зоны и выбросов ядерного горючего во внешнюю среду) происходит выделение радионуклидов в атомарном или молекулярном состоянии. Их форма нахождения в природных образованиях, в том числе подземных водах, та же самая, что и продуктов глобальных выпадений после ядерных испытаний в атмосфере. Долгоживущие радионуклиды включаются в геохимические циклы и попадают в пищевые цепи, не говоря уже о загрязнениях атмосферы мелкодисперсными частицами. Трансурановые элементы, являясь излучателями альфа-частиц, чрезвычайно токсичны при респираторном поступлении в легкие человека. С пылью они попадают в поверхностные и подземные воды. Интенсивная пространственно-временнáя изменчивость поля распределения техногенных радионуклидов обусловливает применение в системе мониторинга трендового анализа в качестве основного метода оценки и прогноза гидрогеохимической (эколого- геологической) обстановки. Результаты наблюдений за миграцией радионуклидов должны обрабатываться в единой автоматизированной информационной системе (АИС) мониторинга геологической среды регионального или национального уровня. В целом, гидрогеохимический мониторинг территорий АЭС должен базироваться на использовании основных методических положений геохимического картирования территорий, включающего принципы обоснования состава исследований, размеров сети опробования основных элементов геологической среды. 2.8. Мониторинг территорий нефтегазопроводов и транспортных систем Природно-технические линейные системы нефте- и газопроводов имеют свои специфические особенности, которые необходимо учитывать при организации мониторинга геологической среды территорий, на которых располагаются нефте- и газопроводы. Основными из них являются 1) значительная протяженность трасс газопроводов, проходящих через разные климатические и природные зоны с разнообразными 69 инженерно-геологическими условиями 2) тенденции увеличения технологических нагрузок на трубопроводы, связанные с возрастанием объемов перекачиваемых продуктов) чрезвычайно серьезные экологические последствия для окружающей среды, возникающие в случае аварий трубопроводов, особенно нефтепроводов, из чего следует необходимость обеспечения достаточно высокой надежности работы этих сооружений 4) увязка различных сооружений газо- и нефтепроводов с инженерными комплексами осваиваемых месторождений. Как правило, крупнейшие нефте- и газопроводы (конденсато- проводы) должны включаться в систему мониторинга вместе со всей инженерной структурой освоения месторождения. Например, освоение крупнейших газовых месторождений на территории Западной Сибири и на северо-востоке европейской части России в настоящее время ведется путем сооружения отдельных газовых промыслов, состоящих из установок комплексной подготовки газа и дожимных компрессорных станций. Промыслы размещаются по осевой линии месторождения в пределах коридора основных коммуникаций, где сооружаются по 2-3 нитки газопровода-коллектора диаметром труб 1200–1400 мм, а также 1-2 нитки водоводов, линии электропередачи и автомобильная дорога с покрытием бетонными плитами. Большинство газопроводов- коллекторов и магистральных газопроводов прокладывается подземным или полуподземным способом (полузаглубленным) с обваловкой или в насыпи. В процессе освоения крупных нефтяных и газовых месторождений в связи с необходимостью добычи, очистки и транспортировки полезного ископаемого создается сложно построенная региональная природно-техническая система, захватывающая огромную территорию, отличающаяся большой протяженностью, а в условиях России к тому же часто расположенная или частично проходящая в криолитозоне. Опыт борьбы с многочисленными деформациями различных сооружений вдоль трасс нефте- и газопроводов показал, что эксплуатационная надежность газо- или нефтедобывающих комплексов и трубопроводов в сложных инженерно-геологических условиях не может быть обеспечена проведением отдельных ремонтных работ и мероприятий по инженерной защите данной системы. Если пространственно-временнáя структура мониторинга геологической среды определяется целью управления, режимом эксплуатации, а также инженерно-геологическими условиями, определяющими характер и интенсивность взаимодействия между различными типами сооружений и геологической средой, то при создании мониторинга территорий трасс трубопроводов оценивают инженерно- геологические условия территории и анализируют техногенную нагрузку вдоль трассы. На основе сопоставления карт и другой информации составляется прогноз взаимодействия геологической среды и инженерных сооружений вдоль всей трассы и разбивается наблюдательная сеть мониторинга. Рассмотренная выше общая методика организации системы мониторинга остается в силе и для территорий газо- и нефтепроводов. Исходными материалами для составления прогнозов изменения инженерно-геологических условий служат следующие данные опережающие инженерно-геологические съемки среднего масштаба детальные данные предпостроечных изысканий результаты режимных наблюдений за изменением тех или иных компонентов геологической среды при их взаимодействии с инженерными сооружениями повторные обследования промплощадок и трасс трубопроводов и повторных площадных съемок многозональные космические и аэрофотосъемки предпостроечной ситуации и последующих залетов, а также тепловая съемка. Прогноз изменения инженерно-геологических условий по трассам газо- и нефтепроводов может осуществляться в три этапа 1) региональный прогноз изменений инженерно-геологических условий на основе анализа структуры полей геологических параметров, характеризующих состояние геологической среды дои после освоения территории) прогнозное инженерно-геологическое районирование территории по характеру взаимодействия различных типов сооружений с геологической средой 3) локальный количественный прогноз геологических параметров, определяющих устойчивость ПТС. Общая структура мониторинга геологической среды вдоль трассы трубопровода включает в себя подсистемы регионального, локального и детального уровней. Состояние подземных газопроводов по сравнению с проектным может оцениваться по такому показателю, как, например, стабильность, предложенному в 1988 г. В.В. Пендиным с сотрудниками. Показатель стабильности варьирует в пределах от 1 до 0, причем значение соответствует полному отсутствию деформаций сооружения, превышающих предусмотренные проектом, а при S = 0 сооружение выходит из строя в результате развития инженерно-геологических процессов. Классификация состояния газопроводов по стабильности приведена в табл. 2.6. 71 Таблица 2.6 Классификация состояния подземных газопроводов по стабильности (S) Пункт S Состояние газопровода Возможные дефекты 1 2 3 4 1 1 Газопровод полностью соответствует проекту — 2 0,7 Газопровод обнажен частично Разрушение гидроизоляции, активизация коррозии, потенциальная возможность разрушении соседних ниток при аварии одной из них 3 0,5 Газопровод обнажен полностью Тоже, что в п газопровод не защемлен, подвижен, 1 2 3 4 создаются условия для развития скрытых дефектов трубы 4 0,3 Газопровод обнажен полностью, наличие арок, змеек Тоже, что в п возможна работа трубы при напряжениях выше допустимых 5 0,1 Газопровод обнажен, арки, змейки с гофрами Тоже, что в п возможно течение материала трубы 6 0 Разрыв трубы газопровода Существует специфика мониторинга геологической среды и на территориях, по которым проходят различные линейные транспортные геотехнические системы. Среди них первостепенное значение имеют железные дороги и автомобильные трассы. Главными особенностями этих ПТС, которые необходимо учитывать при организации мониторинга геологической среды, являются 1) большая протяженность транспортных линейных магистралей и вследствие этого большое разнообразие вдоль трасс инженерно- геологических условий 2) возрастающая год от года нагрузка на транспортные магистрали, обусловленная общей тенденцией увеличения грузоперевозок, внедрением перевозок сдвоенными тяжеловесными составами и т.п.; 3) усиливающиеся тенденции активизации техногенных изменений геологической среды вдоль транспортных магистралей. Воздействия транспорта на геологическую среду нелокальны, так как сеть железных и автомобильных дорог разного класса, воздушных трасс, судоходных рек, ЛЭП охватывает все регионы страны. 72 Продукты неполного сгорания транспорта попадают в атмосферу и разносятся ветром, но они накапливаются в течение времени во всех компонентах окружающей, ив том числе геологической среды. Наибольшему загрязнению, естественно, подвергаются придорожные зоны. Исследования показывают, что в полосе магистральных автомобильных дорог первого класса шириной 30–50 м в почвах, грунтовых водах и растительности накапливаются нефтепродукты, свинец, цинк и другие тяжелые металлы в концентрациях, значительно превышающих ПДК. Трасса длиной 100 км загрязняет геологическую среду сверх ПДК на площади 500 га. В районах аэродромов образуются устойчивые зоны загрязнения почв и грунтовых вод керосином и некоторыми тяжелыми металлами, при этом очаги загрязнения выходят за территорию взлетно-посадочных полос. На инженерно-геологические условия территории воздействует как строительство, таки эксплуатация транспортных систем. Они способны активизировать природные или вызвать к жизни техногенные экзогенные геологические процессы оползни, обвалы, плывуны, суффозию, карст, эрозию, заболачивание и т.д. Вибрационное воздействие от тяжелогруженых автомашин и поездов интенсифицирует оползни, обвалы, осыпи, лавины и другие гравитационные явления. В настоящее время компании автомобильных или железных дорог страны не имеют не только собственных сил для обеспечения надежности инженерной защиты эксплуатирующихся сооружений, но и достаточно обоснованной картины современного состояния транспортных геотехнических систем сточки зрения наличия опасных участков. Компании также не могут в полной мере прогнозировать изменения геологической среды. В связи с этим организация систем мониторинга по основным трассам автомобильных и железных дорог является государственной задачей. На трассах автомобильных и железных дорог существует гео- технический контроль, призванный обеспечивать надежное, безаварийное функционирование трасс, сохранность и обслуживание системы инженерной защиты магистралей. Геотехнический контроль призван обеспечивать и режимные наблюдения по трассам при организации мониторинга геологической среды. На железных дорогах России геотехнический контроль осуществляется в соответствии со сложившейся организационной структурой управления, которая включает в себя следующие подразделения управление дороги, отделение дороги, дистанция пути, околоток. В состав отделения дороги включаются обычно 2-3 дистанции пути, а в состав дистанции – ряд околотков. Каждый околоток охватывает 20–25 км трассы железной дороги. Поэтому уровневая система мониторинга геологической среды железнодорожных трасс должна строиться с учетом этой структуры. Мониторинг геологической среды дистанции пути соответствует локальному уровню, основной задачей которого является оценка состояния инженерной защиты дистанции с разработкой рекомендаций по комплексу защитных мероприятий и укрупненным определением их стоимости. На этом уровне проводится оценка динамики развития различных неблагоприятных геологических и инженерно- геологических процессов за периоды строительства и эксплуатации дороги, разрабатываются управляющие решения и рекомендации по функционированию системы защитных мероприятий. Исследования и наблюдения ведутся с помощью аэрофотосъемки, анализа материалов обычных аэрофотосъемок залетов разных лета также наземных инже- нерно-геологических обследований. Карта прогноза состояния геологической среды вдоль дистанции пути по степени устойчивости ее элементов к техногенным воздействиям строится в масштабе 1:10 000 или 1:25 000. Мониторинг геологической среды железнодорожной трассы отделения дороги соответствует региональному уровню. Он объединяет в себе локальные информационные сети детального и локального уровней в пределах всего отделения дороги. На этом уровне мониторинга обосновывается финансирование системы защитных мероприятий по предотвращению аварийных ситуаций, составляется кадастр проявлений геологических и инженерно-геологических процессов, оценка их активности и возможного воздействия на инженерные сооружения. Новые данные наблюдений получают с помощью космической многозональной фотосъемки, наземных инженерно- геологических обследований и аэровизуальных работ. Мониторинг геологической среды вдоль железнодорожной трассы всего управления дороги относится к национальному уровню, объединяя в себе региональные системы мониторинга отделений. Его назначением является управление всей системой мониторинга данной дороги, обоснование нормативных документов для организации и финансирования службы мониторинга. Помимо обработки и обобщения поступающей информации из систем мониторинга низших уровней, информацию также получают с помощью космической многозональной фотосъемки. Картографические модели для всего управления дороги строятся в масштабе 1:1 000 000 или 1:250 000. Таким образом, организация мониторинга геологической среды вдоль трасс трубопроводов и линейных транспортных сооружений 74 является актуальной задачей, реализация которой позволит добиться повышения надежности работы инженерных сооружений. 3. Мониторинг геологической среды 3.1. Понятие о природно-технических системах Одной из составляющих мониторинга окружающей среды и составляющих мониторинга промышленной безопасности является мониторинг геологической среды. Геологическая среда рассматривается как часть литосферы, взаимодействующая (сейчас или потенциально в будущем) с различными инженерно-хозяйственными объектами или инженерными сооружениями, созданными человеком. Под инженерными сооружениямив данном случае понимают любые техногенные объекты техносферы, созданные человеком в процессе инженерно-хозяйственной деятельности в пределах геологической среды или на ее поверхности, включая открытые или подземные выемки. Сами же инженерные сооружения рассматриваются как источники техногенных воздействийна геологическую среду в целом или на ее отдельные элементы (горные породы, рельеф, подземные воды и др. При этом источником техногенного воздействия не может служить какая-либо инженерно-хозяйственная деятельность человека сама по себе, например строительная, сельскохозяйственная и т.п. Техногенными воздействияминазываются различные по своей природе, механизму, длительности и интенсивности влияния, оказываемые человеком на объекты геологической среды в процессе его жизнедеятельности и хозяйственного производства. По В.К. Епишину (1985), природно-технической системой (ПТС) называется совокупность инженерного сооружения (комплекса инженерных сооружений) счастью геологической среды в зоне его их) влияния, имеющей операционально фиксированные границы. В общем виде взаимодействие инженерного сооружения с геологической средой можно представить в виде схем, по В.К. Епишину и ВТ. Трофимову, приведенных на рис. 3.1, на которых дано (в разрезе) простейшее инженерное сооружение с эпюрами напряжений в массиве горных пород (элементарная ПТС, по МА. Шубину). 75 Рис. 3.1. Схема взаимодействия инженерного сооружения с геологической средой На риса показана проектируемая ПТС с теоретической эпюрой напряжений в основании сооружения. Она отличается от реальной ПТС (построенного сооружения) тем, что эпюра напряжений в массиве горных пород имеет более сложный (отличный от теоретического) вид (см. рис, б, отражающий реальную неоднородность массива и его различные особенности, которые на стадии проектирования не всегда удается заранее оценить. Из этого следует, что уже на стадии проектирования ПТС должны быть выполнены прогнозы взаимодействия (несуществующего пока) инженерного сооружения с изученной в процессе инженерно- геологических изысканий геологической средой, стем чтобы в конечном итоге добиться максимального соответствия проектируемой и реальной ПТС. При этом понятие проектирование ПТС» шире по объему, чем понятие проектирование инженерного сооружения, так как помимо сооружения ПТС включает и часть геологической среды в границах взаимодействия с сооружением. Действительные качественные и количественные характеристики фактического взаимодействия сооружения с геологической средой определяются лишь на стадии эксплуатации инженерного сооружения посредством различные процедур контроля функционирования ПТС. Такой контроль обеспечивается системой мониторинга геологической среды в пределах данной ПТС. Воздействие геологической среды на механическую устойчивость и деформируемость инженерного сооружения может привести к переводу ПТС из стабильного (см. рис, в) в аварийное состояние см. рис. 3.1, г. Для исключения этого состояния прогноз корректируется осуществляемым с помощью мониторинга фактическим учетом изменения во времени прочностных и деформационных характеристик породи оценкой вероятности воздействия на сооружение парагенети- ческого комплекса эндо- и экзогенных геологических процессов, ха- а б в г 76 среда Геологическая среда ПТС ТС ЗВ Окружающая рактерных для данного типа инженерно-геологических условий, атак- же учетом фактических деформаций и изменения механической устойчивости инженерного сооружения. Помимо воздействия, оказываемого геологической средой на сооружение, происходит и обратное воздействие. Оно может проявляться в деформируемости пород основания, их разрушении, увлажнении за счет неконтролируемых утечек воды и тому подобное, что может вызвать нарушение механической устойчивости сооружения. Это также вызывает необходимость контроля функционирования данной ПТС, обеспечиваемого мониторингом. Таким образом, структуру ПТС и взаимодействие инженерного сооружения (технической системы) с геологической средой и другими внешними средами более детально можно представить в виде схемы, приведенной на рис 3.2. Рис. 3.2. Взаимодействие технической системы с внешними средами ТС техническая система; ПТС природно- техническая система ЗВ зона действия (влияния) технической системы на геологическую среду Как видно из рис 3.2, ПТС охватывает некоторое пространство, включающее собственно техническую систему (ТС), а также некоторую часть окружающей и геологической среды в пределах так называемой зоны влияния (ЗВ), или зоны воздействия технической системы на геологическую среду. Рассматривая ПТС с позиций системного анализа, считают, что граница ПТС выбирается так, чтобы ограничить изменение геологической и окружающей среды под воздействием ТС в некотором оптимальном диапазоне по заранее выбранным критериям оптимальности. Эти границы в общей теории систем называются "гомеостатиче- скими". Они характеризуют допустимый диапазон изменений характеристик ПТС, внутри которого данная ПТС еще сохраняет механическую устойчивость, или гомеостазис системы»(греч. homoios подобный, тот же самый, stasis состояние, неподвижность, те. не переходит в другую систему. |