Мониторинг и экспертиза. Безопасность технологических процессов и производств и бакалавров направления 280700 Техносферная безопасность Белгород 2013 3
 Скачать 4.49 Mb.
|
|
6.3. Наблюдательные станции Наблюдательные станции наземной поверхности закладывают при появлении деформаций следующих объектов – промышленных зданий (заводских цехов, обогатительных фабрик, рудничных мастерских, надшахтных зданий изданий подъемных машин – линий железных дороги транспортных сооружений (мостов, путепроводов, виадуков – инженерных сооружений (водонапорных башен, дымовых труб, шахтных копров, бункеров, электроподстанций, опор линий электропередачи, газопроводов и нефтепроводов – технологического оборудования (шахтных подъемных машин, вентиляторов, оборудования обогатительных фабрики закладочных комплексов, котлов, металлообрабатывающих станков длиной болеем, подкрановых путей и т. д – санитарно-технических сетей (водопроводов, теплопроводов, канализационных сетей – водных объектов (рек, каналов, водохранилищ, хвостохранилищ и шламоотстойников); – действующих карьеров, склонов горна которых могут возникать оползни. На наблюдательных станциях определяют величины деформаций зданий и сооружений, их фундаментов и земной поверхности. С этой целью в зданиях и сооружениях и их фундаментах устанавливают стенные реперы, маяки, замерные марки, датчик или другие замерные устройства, а наземной поверхности вблизи объектов закладывают линии грунтовых реперов. Плановую и высотную привязку реперов, наблюдения за грунтовыми и стенными реперами, марками в вертикальной и горизонтальной плоскостях выполняют геодезическими методами. Стенные реперы (марки) закладывают в фундаментах или цоколях ниже слоя гидроизоляции по всему периметру здания через равные интервалы от 4 дом. На каждой стороне здания должно быть заложено не менее трехстенных реперов. Расстояния между реперами в каркасных зданиях должны соответствовать шагу основных колонн столбов. Стенные реперы закладывают непосредственно в наружных колоннах или их фундаментах. В отдельных случаях закладывают реперы и во внутренних колоннах, а также в балках перекрытий. 96 Грунтовые реперы закладывают против стенных реперов на расстоянии не менее 1,5 мот фундамента, ноне ближе 0,5 мот отмостки. Наблюдения на станции заключаются в нивелировании стенных и грунтовых реперов, измерении горизонтальных расстояний между ними и наблюдении за деформациями зданий путем визуального осмотра. При этом особое внимание необходимо обращать на состояние несущих конструкций (наличие трещин, отклонений от первоначального положения, прогибов. В зданиях и сооружениях устанавливают комплекс датчиков, приборов и приспособлений, с помощью которых проводят наблюдения за напряжениями и деформациями в конструкциях зданий. В таких случаях наблюдения обычно выполняют с привлечением специализированных организаций. При появлении в стенах, колоннах и других частях зданий и промышленных сооружений трещин устанавливают маяки для наблюдения за изменением размеров трещин. Ширину и длину трещина также дату измерения записывают в журнал. Для непосредственного измерения ширины раскрытия трещин применяют измерительный клин, прозрачный трафарет с нанесенными на него линиями различной толщины, стальную линейку. Для измерения трещин в недоступных местах применяют глазомерную оценку ширины трещины по сравнению с непосредственно измеренными трещинами на ближайшем участке. При появлении первых признаков деформации зданий (возникновение первых трещин в стенах, раскрытие осадочных швов в зданиях с конструктивными мерами защиты) необходимо провести дополнительные наблюдения по реперам наблюдательной станции и зафиксировать все видимые проявления деформаций зданий независимо от ранее намеченной программы наблюдений. Для промышленных зданий и сооружений, имеющих ответственные агрегаты, например мостовые краны, сложные станки, механизмы и другое оборудование, необходимо проводить наблюдения за изменением их положения в плане и по высоте. При наблюдениях за подкрановыми путями мостовых кранов проводят нивелировку головок рельсов, измерение ширины колеи и зазоров на стыках рельсов. На колоннах, несущих подкрановые пути, устанавливают стенные реперы, по которым проводят нивелировку и измерение, как в продольном, таки в поперечном направлении. В фундаментах станков и другого оборудования закладывают не менее четырех реперов и выполняют нивелирование, позволяющее определять наклоны фундаментов в любых направлениях. При появлении трещин в фундаментах устанавливают маяки и проводят наблюдения за изменением размеров трещин. При деформациях полотна железных дорог закладывают наблюдательные станции, включающие – линии грунтовых реперов вдоль основания полотна железной дороги для получения величин деформаций земной поверхности под полотном железной дороги – линии забивных реперов на верхней площадке земляного полотна между бровкой откоса полотна и балластной призмой для получения данных об оседаниях и горизонтальных сдвижениях полотна железной дороги и определения мести объемов ремонтных работ. Наблюдения на станции включают нивелирование реперов и измерение расстояний между ними. На профильных линиях, заложенных вдоль полотна, следует измерять ординаты для определения поперечных сдвижений полотна. Одновременно с наблюдениями проводят измерение зазоров в стыках рельсов и нивелирование головок рельсов. Собирают также сведения о проведенном ремонте верхнего строения пути (подсыпка балласта, разгонка стыковых зазоров. При деформациях трубопроводов проводят наблюдения заде- формациями земной поверхности, напряженно-деформированным и техническим состоянием трубопровода. Для наблюдений за деформациями земной поверхности в зоне деформации трубопровода закладывают грунтовые реперы вдоль трубопровода. Расстояние между реперами должно составлять 10 – 15 м. Инструментальные наблюдения включают нивелировку грунтовых реперов и измерение расстояний между ними. Для наблюдений за состоянием трубопроводов в зонах наибольших ожидаемых деформаций земной поверхности их вскрывают специальными колодцами, шурфами и траншеями, которые при секционных трубопроводах располагают в местах стыковых соединений. Наблюдения за напряженно-деформированным состоянием трубопроводов в зависимости от их назначения и конструкции включают – для стальных подземных и наземных напорных трубопроводов измерение деформаций труб в отдельных точках, вычисление растягивающих напряжений и проверку условий прочности (выполняют специализированные организации) в случаях, когда расчетные деформации земной поверхности превышают допустимые для данного трубопровода для подземных и наземных секционных трубопроводов измерение подвижек стыковых соединений и проверку компенсационной способности стыков. С этой целью по обе стороны стыкового соединения должны быть намечены постоянные точки для систематического измерения расстояния между ними – для самотечных трубопроводов наряду с наблюдениями за состоянием и работой стыковых соединений нивелировку дна лотков и трубопроводов, а также проверку условий самотечности; – для эстакадных трубопроводов инструментальные измерения оседания и горизонтального перемещения опор и их наклонов, продольного и поперечного перемещения трубопровода на опорах, атак- же фиксацию и замер повреждений опор. Одновременно с инструментальными наблюдениями проводят визуальное обследование трассы трубопровода. При этом фиксируют состояние колодцев, утечки транспортируемой жидкости, взаимное перемещение грунта (опор) и труба также другие видимые проявления деформаций трубопровода и земной поверхности. При деформациях высоких инженерных сооружений с малой площадью опоры (дымовые трубы, водонапорные башни, бункер опоры ЛЭП, телевизионные и радиорелейные башни) в фундаментах сооружений закладывают стенные реперы, а против них и по периметру основания на удалении не менее 2 – 3 мот фундамента грунтовые реперы. Кроме нивелирования стенных и грунтовых реперов проводят наблюдения за наклонами сооружений. При эксплуатации водохранилищ, хвостохранилищ, прудов и других водных объектов, имеющих искусственные сооружения в виде плотин, дамб, водосливных устройств, водопропускных лотков или каналов, выполняют инструментальные и визуальные наблюдения за состоянием этих сооружений. Инструментальные наблюдения включают нивелирование и измерение расстояний между реперами, заложенными по верхнему гребню и у основания плотин и дамба также установленными в водосливных устройствах и облицовке лотков и каналов. Визуально фиксируют все видимые проявления деформаций в сооружениях (трещины, про- садки, просачивание воды. 99 6.4. Моделирование технологических процессов и экологических систем В изучении природных и технологических процессов следует выделить два основных метода исследования, таких, как мониторинг и моделирование. В предыдущих главах показано, что мониторинг как элемент экспертизы состоит из наблюдения за природой, анализа состояния окружающей среды, контроля за выбросами вредных веществ, рекомендаций по улучшению экологической обстановки, приведения в действие нормативных и законодательных актов, регулирующих хозяйственную деятельность субъектов. Мониторинг допускает моделирование процессов, нов узкой трактовке рассмотрим мониторинг как метод наблюдения за природой, выделив моделирование в отдельную область исследования. Моделированием называют получение модели, дающей информацию об исследуемом процессе или явлении. Модель – это система, отражающая отдельные стороны явления, процесса. Существуют несколько видов моделирования имитационное, или аналоговое физическое математическое комбинированное. В системном анализе применяют такие термины, как входной эффект и выходной эффект под выходом понимается любое воздействие на систему со стороны окружающей или внешней среды или соседней системы. В качестве входного эффекта может рассматриваться любой вид техногенного воздействия на геологическую среду или их комплекс. И наоборот, соответствующими выходными эффектами, или выходами, называются изменения (или отклики, которые претерпевает система. Входные эффекты представляют собой внешние факторы по отношению к рассматриваемой системе (техногенная компонента, а выходные эффекты могут быть изменениями ее свойств и характеризоваться комплексом параметров. В системном анализе выделяют четыре типа моделей 1) модель типа черный ящик 2) модель состава 3) модель структуры 4) комплексная модель (сочетание первых трех) (рис. 6.1). 100 Рис. 6.1. Типы статических моделей система модель черного ящика б – модель состава в – модель структуры г – структурная схема модели системы Модель черного ящика Когда ничего неизвестно о внутреннем составе и устройстве самой исследуемой системы, то ее модель можно представить в виде ящика, выделенного из окружающей среды, так называемого черного ящика. Связи со средой осуществляют входы и выходы рассматриваемой системы (риса. Модель черного ящика используется и на начальных этапах исследований, на начальных стадиях организации мониторинга. Цель использования модели черного ящика проста варьируя входными переменными интенсивностью техногенных воздействий или исследуя их в разных условиях, исследователь изучает реакцию на них выходных параметров изменений окружающей среды или ее элементов. Анализируя затем эту реакцию на выходе, можно сделать ряд важных практических выводов о самой системе. При использовании этой модели в системе мониторинга она реализуется на ЭВМ, и поставленные задачи решаются подбором до наилучшего совпадения входных и выходных параметров. На основе анализа входных ивы- ходных параметров устанавливают детальные модели состава и структуры. Модель состава системы.Модель состава окружающей среды ее элементов) может рассматриваться в широком и узком смысле. В широком смысле подсистемами окружающей среды являются почвы, воды, рельеф, воздух, процессы и явления (рис. 6.1, б. В каждой изв га б 101 этих подсистем могут быть выделены свои подсистемы итак далее до элементов. Модель структуры системы Совокупность необходимых и достаточных для достижения цели отношений между элементами называется структурой системы. Перечень связей между отдельными (или всеми) элементами системы и ее подсистемами (те. структура системы) является отвлеченной, абстрактной моделью в ней установлены только отношения между элементами, ноне рассмотрены сами элементы. На практике же установлению связей и отношений между элементами окружающей среды всегда предшествует построение модели состава, те. выделение перечня элементов. Графически модель структуры выражается в виде набора связей разного типа между элементами (рис. 6.1, в. Комплексная модель системы. Объединяя в одну модель черный ящик, модель состава и структуры системы, мы получим в итоге комплексную модель окружающей среды (ее части, или структурную схему системы (или белый ящик, прозрачный ящик. В структурной схеме (не путать со структурной моделью) указываются все элементы системы, все связи между элементами внутри системы и связи определенных элементов с окружающей внешней средой (те. входы и выходы системы. Графически структурная схема системы содержит в себе все элементы ее составных моделей (рис. 6.1, г. Все структурные схемы имеют нечто общее, что побудило математиков рассматривать их как особый объект математических исследований. Получилась схема, в которой обозначается только наличие элементов и связей между ними, а также (в случае необходимости) разница между элементами и между связями. Такая схема называется графом, а соответствующий раздел математики – теорией графов. В теории графов предусмотрены и разработаны и различные операции преобразования графов, определения их вероятностных характеристик вероятностные, или стохастические, графы. Графы могут изображать любые структуры, если не накладывать ограничений на пересекаемость ребер. Системы, в которых происходят какие-либо изменения во времени, называются динамическими, а модели, их отражающие, – динамическими моделями систем. Реальные природно-технические системы, реальные объекты геологической среды представляют собой динамические системы, изменяющиеся во времени. Развитие динамических моделей происходит примерно в той же последовательности, как это излагалось от черного ящика к белому (рис. 6.2). 102 На этапе создания модели черного ящика различают два типа динамики системы ее функционирование и развитие. Под функционированием понимают те процессы, которые происходят в системе (и окружающей ее среде, стабильно реализующей фиксированную цель. Развитием же называют то, что происходит с системой при изменении ее целей. Развитие ПТС осуществляется человеком при модернизации производства, смене технологий на более совершенные и т.п. Следующий шаг в построении динамических моделей систем состоит в том, чтобы конкретнее отобразить происходящие в них изменения, в частности техногенные изменения геологической среды. Типы динамических моделей такие же, как и статических, только элементы этих моделей имеют временной характер. Для динамической модели структуры необходимо установить последовательность действий и продолжительность каждого действия между связями и отношениями. Рис. 6.2. Динамическая модель черного ящика Все указанные выше типы моделей систем являются формальными, относящимися к любым системам окружающей среды. Чтобы получить модель заданной системы, нужно придать формальной модели конкретное содержание, те. решить, какие аспекты реальной системы включить в элементы модели избранного типа, а какие – нет, считая их несущественными. Процесс построения содержательных моделей окружающей среды или ее элементов является процессом творческим, интеллектуальным. Формальная модель является окном, через которое исследователь смотрит на реальную систему, строя содержательную модель окружающей среды. Имитационное или аналоговое моделирование используют в биологии, биохимии при изучении отдельных компонентов экологических систем. Простейший пример аналогового моделирования – изучение развития замкнутой экологической системы в процессе брожения 103 гексоз под действием микроорганизмов – дрожжей Sacchoromyces и перенос полученных закономерностей на другие системы. Как установлено, спиртовое брожение может быть выражено следующим уравнением C 6 H 12 O 6 = 2CO 2 + С + ΔH Здесь ΔH – тепловой эффект химического процесса, Дж/моль. Доказано, что спиртовое брожение происходит под действием биологических катализаторов – ферментов и имеет ряд промежуточных стадий. На первой стадии образуется гексозодифосфат, который превращается в фосфат глицеринового альдегида и фосфат диоксиацетона. На второй стадии фосфат глицеринового альдегида окисляется с образованием фосфоглицериновой кислоты. Из фосфоглицериновой кислоты синтезируется пировиноградная кислота, которая распадается на ацетальдегид и оксид углерода. На последней стадии ацетальдегид восстанавливается до спирта. Ферментная система, вызывающая брожение, состоит из нескольких биологических катализаторов, важнейшими из которых являются дегидраза, карбоксилаза. Так, гексозодифосфат преобразуется под действием фермента «альдолазы». Фосфат глицеринового альдегида и фосфат диоксиацетона изомеризуются под влиянием фосфотриазоизо- меразы. Окисление фосфата глицеринового альдегида происходит под действием фермента козимазы. Енолаза катализирует процессы, связанные с синтезом пировиноградной кислоты. Карбоксилаза превращает пировиноградную кислоту в ацетальдегид из которого под действием дигидрокозимазы образуется этиловый спирт. Предложенная схема брожения объясняет образование эквимолярных количеств спирта и оксида углерода (IV), а также постоянное наличие в системе небольших количеств глицерина и ацетальдегида. Основные продукты жизнедеятельности дрожжей – углекислый газ, этиловый спирт, теплота химической реакции приводят к повышению температуры и загрязнению системы. Через некоторое время концентрация спирта в системе достигает 10–14%, как следствие, происходит гибель микроорганизмов, те. развитие является неустойчивым рис. Выделим следующие стадии развития системы устойчивый рост, равновесие, гибель системы. Характерно, что человеческая цивилизация развивается по принципам жизнедеятельности примитивных микроорганизмов в замкнутой системе. Отметим, что к концу XX в. цивилизация вступила в область равновесия, за которым следует гибель при отсутствии каких-либо кардинальных мероприятий по охране окружающей среды. При физическом моделировании проводят воспроизведение процесса в различных масштабах. Исследование развития микроорганизмов при спиртовом брожении в пробирке и перенос полученных закономерностей на технологию получения спирта в промышленном масштабе – результат физического моделирования. В аналоговом моделировании мы перенесли результаты исследования одной системы на совершенно другую ибо- лее сложную систему. При математическом моделировании изучение явления осуществляется на математической модели – уравнении, системе уравнений, описывающих всю совокупность процесса 1 2 ( , , , ... ) 0, ( , , , ... ) 0, ( , , , ... П Y Z t n f X Y Z t n f X Y Z где X, Y, Z, t, n – факторы или параметры процесса f 1 , f 2 , ..., п – функции, связывающие параметры в уравнении. Особенность математического моделирования состоит в варьировании условий функционирования процесса путем параметрического изменения факторов, что сокращает время проведения анализа модели. Математическое моделирование сочетается с другими видами моделей, поэтому наиболее часто применяют комбинированные модели. Рассмотрим пример комбинированного моделирования – очистку раствора каустической соды от ртути. Получим линейное уравнение, описывающее данный процесс. Эксперименты по очистке каустической соды проводили в лабораторном реакторе, имеющем термостат. Из реактора ртуть экстрагировали специальными органическими веществами. Алгоритм моделирования 1. Выбор факторов, влияющих на содержание ртути X 1 – скорость вращения мешалки, об/мин; X 2 – температура раствора, º С; X 3 – время экстракции ртути, мин. 2. Составление матрицы планирования эксперимента (табл. 105 Таблица 6.1 Матрица планирования эксперимента по очистке каустической соды от ртути Фактор Содержание ртути X 0 X 1 X 2 X 3 Y 1 ·10 4 Y 2 ·10 4 Y 3 ·10 4 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 –1 +1 –1 +1 –1 +1 –1 +1 +1 –1 –1 +1 +1 –1 –1 +1 +1 +1 +1 –1 –1 –1 –1 1,09 1,34 3,07 3,42 2,90 3,01 3,74 6,64 0,71 0,94 2,65 3,02 2,50 2,50 3,34 6,36 0,90 1,14 2,86 3,22 2,70 2,80 3,54 6,45 Значения +1, – 1 называют уровнями факторов, которые фиксируют при проведении эксперимента. Уровни факторов – это кодированные значения параметров процесса где X i 0 – нулевые уровни ΔX i – интервал факторов. X 10 =2500 об/мин; X 20 =100 С X 30 =40 мин ΔX 1 =500 об/мин; ΔX 2 = 10 С ΔX 3 = 15 мин. Уровни факторов выбирают по имеющейся априорной информации о процессе. 3. Расчет коэффициентов математической модели проводят по формуле γ γ 1 1 , 1/ b i i i i i i i b X Y b N X X Y N , 0 где y i – среднее значение содержания ртути в каустической соде в опытах. Необходимо обратить внимание, что значения уровней факторов выбирают для каждой строки табл. 3.1 в кодированной форме +1, – 1: b 0 =10 – 4 (0,90+1,14 + 2,86+3,22+2,70+2,80+3,54+6,45)/8 =2,95∙10 – 4 ; b 1 = 10 – 4 (0,90+1,14 – 2,86+3,22-2,70+2,80–3,54 +6,45)/8 =0,45∙10 – 4 ; b 2 = 10 – 4 (0,90+1,14 – 2,86–3,22+2,70+2,80–3,54–6,45)/8 =– 1,07∙10 – 4 ; b 3 = 10 – 4 (0,90+1,14+2,86+3,22–2,70–2,80–3,54–6,45)/8 =0,92∙10 – 4 4. Составление математического уравнения Y = b 0 + b 1 X 1 + b 3 X 3 , 106 Y=10 – 4 (2,95 + 0,45X 1 – 1,07X 2 + 0,92∙X 3 ), где Y – содержание ртути в каустической соде, %. Получив уравнение или математическую модель, проводят анализ рассчитывают ошибку опыта – проверяют значимость коэффициентов b i ; – проверяют адекватность уравнения или его точность – определяют оптимальные условия, при которых содержание ртути в растворе минимально – принимают решение по охране окружающей среды от выбросов ртути. Рассмотренный вид моделирования относится к разновидности регрессионного анализа или полного факторного эксперимента (ПФЭ), устанавливающего зависимость между числом факторов N и количеством опытов, необходимых для построения уравнения регрессии. Специальные методы комбинированного моделирования природных процессов, содержащие элементы запаздывания причинно- следственных связей, разработаны в х гг. XX в. группой исследователей под руководством Д. Медоуза. Основной принцип моделирования основан на изучении поведения существенного фактора системы в зависимости от набора параметров, влияющих на природные процессы. Поведение существенного фактора представляется в виде уравнения, диаграммы или базовой динамики. Диаграмма, график, уравнение позволяют провести системный анализ проблемы и установить причинные связи между явлениями. Формализованная запись существования причинных связей отображается схемой F 1 ──> F 2 Схема означает, что с изменением F 1 меняется величина F 2 . Существуют два типа причинных воздействий – положительные и отрицательные В реальных системах структура связей между явлениями гораздо сложнее, чем схемы, изображенные формализованной записью. Для того чтобы показать совокупность взаимодействующих процессов, цепочки причинных связей, изображенные формализованной записью, замыкают в контуры – кольца обратных связей. Предположим, исследуют систему F 2 . В системе F 2 произошло возрастание одного параметра, который вывел ее из равновесия. Двигаясь по внешнему контуру, заметим, что системы F 3 , F 4 , F 1 , уменьшились. Через некоторое время (время запаздывания) система F 2 вернется в первоначальное положение. Следовательно, система F 1 становится собственной причиной своего поведения во времени, а гомеостаз системы обусловлен наличием отрицательного кольца обратной связи. Гомеостаз системы – удержание величины F 2 на некотором уровне или ее способность сопротивляться внешним воздействиям – обусловлен наличием отрицательного кольца обратной связи. В моделировании необходимо находить действующую отрицательную обратную связь, которая сопротивляется внешним воздействиям, способствуя сохранению окружающей среды. Существуют системы, в которых существенный фактор постоянно увеличивается по определенному закону (рис. Развитие таких систем неустойчиво, они разрушаются стечением времени, не выдерживая нагрузки. В рамках формального представления явлений в виде цепочки причинных связей подобный случай реализуется вцепи с положительным контуром обратной связи. а б |