РД 09-391-00

Федеральный горный и промышленный надзор России

Госгортехнадзор России

Нормативные документы по безопасности, надзорной и разрешительной деятельности

в химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности

МЕТОДИКА

РАСЧЕТА ЗОН ЗАТОПЛЕНИЯ ПРИ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ

АВАРИЯХ НА ХРАНИЛИЩАХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ОТХОДОВ

ХИМИЧЕСКИХ ПРЕДПРИЯТИЙ

РД 09-391-00

Дата введения 2000-11-04

РАЗРАБОТЧИКИ: А.А. Шаталов, З.А. Плужникова, Р.А. Стандрик (Госгортехнадзор России)

Ю.Ф. Некрасов, В.В. Агентов, В.В. Платонов, А.Л. Татаринов, Т.А. Митрофанов ЗАО "Экоцентр-Агрохимбезопасность"

Л.И. Кондратьев, А.В. Максимов (ГНЦ РФ ВОДГЕО)

ВНЕСЕНА Управлением по надзору в химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности Госгортехнадзора России

УТВЕРЖДЕНА постановлением Госгортехнадзора России от 04.11.2000 года № 65

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:

Федеральный закон Российской Федерации от 21.07.97 № 117 "О безопасности гидротехнических сооружений*";

_________

* Далее ГТС

Постановление 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 (ЧC).

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 несконсолидированных 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:

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

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

- полный объем отходов в хранилище, м3.

l0 - ширина гребня дамбы, м.

- заложение внутреннего откоса дамбы*, м/м.

__________

* отношение длины горизонтальной проекции откоса к высоте откоса.

- заложение внешнего откоса дамбы, м/м.

ρs - плотность частиц грунта, т/м3.

- плотность жидкости в поверхностном слое, т/м3.

- плотность жидкости в слое, расположенном на глубине, равной 1/2 толщины слоя жидкости и несконсолидированных отходов, т/м3.

- плотность жидкости в придонном слое, т/м3.

ρd - средняя плотность сухого грунта тела дамбы, т/м3 [7].

νB - кинематический коэффициент вязкости жидкости в поверхностном слое, см2/с.

νC - кинематический коэффициент вязкости жидкости в слое, расположенном на глубине, равной 1/2 толщины слоя жидкости и несконсолидированных отходов, см2/с.

νH - 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 дамбе.

Определяется среднее значение диаметра частиц грунта и стандартное отклонение измерений σd:

,                                                          (1)

,                                               (2)

где - диаметр i-й выделенной фракции частиц грунта, определяемый по гранулометрическому анализу (мм),

n - количество измерений.

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

,                                                       (3)

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

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

                                        (4)

где xj - 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 νj 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 = 0,1,                                                     (8)

где: y0 - 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. Расчетная схема размыва прорана

Задавая приращение глубины прорана на каждом расчетном шаге постоянным и равным Δy≤y0, определяется приращение ширины прорана

,                                                         (9)

2.2.3. Задавая приращения размеров прорана (Δy и Δb) определяем уменьшение глубины вытекающего из прудка слоя ΔH. Расчет ведется методом итераций.

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

глубина прорана                           ,                                                              (10)

ширина прорана                           ,                                                                (11)

длина прорана, м,                        .                                               (12)

При достижении принимается, что увеличение прорана осуществляется только за счет его расширения

,                                                        (13)

где                                                   .                                                  (14)

Глубина потока в проране, м, ,                                                                               (15)

где Hi определяется по формуле (37).

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

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

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

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

Неразмывающая скорость u0, м/с, определяется для заданного значения и гидравлических параметров потока производится по зависимости В.С. Кнороза [20]:

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

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

для d ≥ 1,5 мм                            ,                                               (21)

где k = 0,785d0,75,

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

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

(м),                                                    (22)

- 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 u0 рекомендуется определять по нормативно-справочной литературе [17].

Величина гидравлической крупности W0 (м/сек) 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 ≥ 2,0 мм                                     ,                                                    (27)

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

Время размыва элементарного объема прорана, с:

,                                                        (28)

где - транспортирующая (размывающая) способность потока;

- увеличение объема размытого прорана (м3):

.                       (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 ≥ 2,7 и все частицы d ≥ 0,15 мм (переносятся во взвешенном состоянии), то величина может быть определена как [1]:

,                                              (30)

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

при                              ,                                (31)

при                             .                                 (32)

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

,                                  (33)

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

Объем жидкости, вытекающей из прудка за время :

.                                             (34)

Общий объем, вытекший за время :

.                                                             (35)

Понижение уровня в прудке

.                                                           (36)

Глубина слоя, вытекающего из прудка:

.                                            (37)

При i = 1 принимаем, что H0 = y0 и ΔH0 = 0.

Расчет ведется до того момента, когда V достигает значения или величина транспортирующей способности становится 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 и соответствующие ему значения ширины b11 и глубины h11 (вариант 1);

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

максимальное значение ширины прорана .

Расчет по выбранным параметрам производится одновременно для и .

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

Определение критической глубины потока, м,

,       ,                              (38)

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

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

____________________

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

Нормальная глубина h0 потока вычисляется в процессе итерационной процедуры (подбором) по значению модуля расхода K0:

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

χ1 = b11 + 2h1,                   χ2 = b12 + 2h2;                                   (41)

гидравлический радиус

,                      ;                                        (42)

коэффициент Шези

,                  ,                                   (43)

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

значение расчетного модуля расхода Kr:

,               .                          (44)

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

, .       (45)

Результаты расчетов и значения h1(h2) заносятся в таблицу. Значение h1(h2), при котором расчетный модуль расхода Kr1 ≈ K01 (Kr2 ≈ K02), 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 h = , в выражения (46), получим

,    ,    (47)

где = b11, = b12.

В зависимости от глубины потока в начале откоса h11(h12) и соотношения и определяется форма свободной поверхности потока [4, 17, 18].

2.3.2. Определение глубины потока в сечении у подошвы откоса.

Из полученных значений h11, h01, (h12, h02, ) выбирается наибольшее и наименьшее значение глубины потока [, (, )] вычисляется среднее значение:

,                                  (48)

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

;

;                    (49)

, ,              (50)

где , ;

- относительная глубина (для каждого из вариантов) определяется:

,   ;                                         (51а)

,   .                                        (51б)

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

,   .                            (52)

Полученные в (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 u 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 и скорости . Ширина потока в этом сечении принимается равной максимальной ширине прорана . 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 , полученное в результате расчета на первом этапе.

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

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

,

где - длина выбранного i-го участка лога.

Рис. 2. Поперечное сечение лога

Для уклонов < 0,01 параметры потока определяются:

- скорость потока   ;                                                            (55)

- глубина потока   ,                                                                    (56)

- ширина потока   ,                                                                      (57)

где   - относительное расстояние;                                                             (58)

          ,

здесь и (см. рис.2).

При i = 0:               ,

                                l0 = 0,

                               ,

где и - заложения соответственно левого и правого откосов лога у подошвы откоса дамбы соответственно.

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

, Па,                                                       (59)

где - средняя плотность потока.

Для защиты объектов, попадающих в зону затопления, можно отвести поток через какое-либо пропускное сооружение (водоотводной канал), находящегося на расстоянии l от подошвы дамбы, расчет которого ведется по условию пропуска максимального расхода потока . Поперечное сечение , обеспечивающее отвод потока, рассчитывается по значению скорости u 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 (м3) определяется по формуле:

,                                                    (61)

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

J - градиент инфильтрационного потока;

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

- время фильтрации жидкости, сут, которое определяется

,                                                      (62)

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

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

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

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

Для каждого i-гo вредного вещества, содержащегося в жидких отходах, вычисляется концентрация вредного вещества в почве , мг/кг, на площади :

,                                                (63)

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

- мощность почвенного слоя, м;

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

- фоновая концентрация i-го вещества в почве, мг/кг.

Параметры 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;

, г/см3;

.

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;

- мощность грунтового потока, м;

- пористость водоносных грунтов.

Параметры , и 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 , попадающих в замкнутый водоем, принимаем равным объему жидкости, вылившейся из хранилища [см. п.2.2.3, формула (35)]:

.

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

,                                                   (65)

где - 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 - расход проточного водоема (м3/сутки),

- максимальный расход изливающегося из хранилища потока (м3/сутки) (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 , J, , , , , . В этих случаях при определении параметров загрязнения почвы и грунтовых вод для каждого выделенного района (r) рассчитывают величины (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 () 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:

, чел,                                                     (67)

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

Например, если в зоне затопления люди присутствуют круглосуточно, = 1, если в зоне затопления люди присутствуют не полные сутки, например, одну смену (8 ч), - = 0,33.

В качестве критического значения параметра волны прорыва может быть принята, например, глубина потока в зоне растекания 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 на здания и сооружения определяется прочностными характеристиками зданий и сооружений, а также параметрами волны прорыва (гидродинамическое давление, скорость и глубина потока):

.                                                   (68)

Если , то = 1. Если , то = 0,

где - значение параметра гидродинамической волны прорыва;

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

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

Показатель 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 ().

Рассчитав показатель для отдельных вредных веществ как , выбирают несколько веществ, имеющих наибольшее значение Zi, и определяют суммарный показатель последствий ().

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

;                                                        (69а)

;                                                       (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 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. Методы 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 - плотность j-го слоя,

- глубина до j-го слоя,

a, 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 a подставляем в выражение для k формулу (п.1.4). После преобразования окончательно имеем

.                                                          (п.1.8)

Подставляя k и a в (п.1.1), получаем

.                                       (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 - вязкость j-го слоя,

- глубина j-го слоя,

a, b и k - параметры используемой закономерности.

Для определения параметров необходимы измерения вязкости отходов на трех уровнях: верхнем , среднем и нижнем .

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

.                                                            (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 [4]

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°С).

* Подвижная форма элемента, извлекаемая из почвы ацетатно-аммонийным буферным раствором pH 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 цианидион;

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

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Общие положения

2. Расчет распространения отходов, содержащихся в хранилище, в случае разрушения ограждающей дамбы

2.1. Основные положения, принимаемые при расчете

2.2. Расчет образования прорана

2.3. Определение параметров потока в сечении у подошвы откоса дамбы

2.4. Расчет максимальных параметров потока по трассе растекания

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

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

Список литературы

Приложение 1

Приложение 2

Приложение 3

Приложение 4

Приложение 5