Инженерная защита вод в природно-технических системах на техногенно-нагруженных территориях тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.36, доктор технических наук Сольский, Станислав Викторович

• Сольский, Станислав Викторович
• доктор технических наук
• 2007

Оглавление диссертации доктор технических наук Сольский, Станислав Викторович

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. Современное состояние с загрязнением природных вод на техногенно-нагруженных территориях.

1.1. Проблемы водопотребления.

1.2. Оценка уровня допустимого воздействия на природные воды.

1.3. Основные источники загрязнения природных вод.

1.4. Основные методы и способы очистки и предотвращения загрязнения природных

1.5. Состояние проблемы обращения с отходами производства и потребления.

Выводы к главе

Глава 2. Управление безопасностью природных вод на техногенно-нагруженных территориях.

2.1. Вводные замечания.

2.2. Порядок анализа безопасности в природно-технической системе «экологически опасный объект - природные воды».

2.3. Идентификация опасностей загрязнения природных вод района техногенно-нагруженной территории.

2.4. Общие положения по определению величины риска возникновения опасной ситуации, ведущей к загрязнению природных вод.

2.5. Управление безопасностью природных вод на техногенно-нагруженных территориях.

Выводы к главе 2.

Глава 3. Расчет основных гидрологических характеристик техногенно-нагруженных территорий.

3.1. Вводные замечания.

3.2. Основные особенности гидрологических характеристик территорий, подвергшихся антропогенному воздействию.

3.3. Анализ методических подходов к расчетам гидрологических характеристик малых водосборов и урбанизированных территорий.

3.4. Основные положения методики расчета гидрологических характеристик техногенно-нагруженных территорий.

Выводы к главе 3.

Глава 4. Методика расчета характеристик фильтрационных потоков на территориях с системами инженерной защиты.

4.1. Постановка задач фильтрации на территориях, испытывающих техногенную нагрузку.

4.2. Модель фильтрации и численные методы ее расчета.

4.3. Методика расчета характеристик фильтрационных потоков на техногенно-нагруженных территориях.

4.4. Верификация численного моделирования характеристик фильтрационных потоков на техногенно-нагруженных территориях.

4.5. Методы прогнозирования распространения загрязняющих веществ.

Выводы к главе 4.

Глава 5. Основные принципы обоснования технических решений систем инженерной защиты природных вод от загрязнения.

5.1. Методика обоснования технических решений систем инженерной защиты природных вод (на техногенно-нагруженных территориях).

5.2. Выбор рациональной схемы дренирования.

5.3. Использование современных геосинтетических материалов для решения задачи защиты природных вод от загрязнения.

5.4. Основные положения по оценке состояния и мониторинга системы инженерной защиты.

Выводы к главе 5.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Инженерная защита вод в природно-технических системах на техногенно-нагруженных территориях»

Природные воды районов размещения техногенно-нагруженных территорий, и особенно мест размещения отходов производства и потребления подвергаются комплексному санитарно-гигиеническому, химическому, тепловому, радиационному загрязнению, причем увеличивается доля их загрязнения слабо контролируемыми диффузными источниками загрязнения, доходящая до 50-80%.

Решение проблемы сохранения природного качества подземных и поверхностных вод может быть достигнуто двумя путями: созданием систем инженерной защиты природных вод от попадания в них загрязняющих веществ и развитие новых, прогрессивных технологий очистки использованных вод. Решению первой задачи и посвящена данная работа.

Сутью систем инженерной защиты природных вод от загрязнения является комплекс инженерно-экологических мероприятий, позволяющих максимально сократить контакт загрязняющих веществ и фильтрата с природными водами, что позволяет отнести их к профилактическим, превентивным мерам в предупреждении распространения водорастворимых соединений.

Многолетний опыт работы автора по созданию различных систем инженерной защиты природных вод на техногенно-нагруженных территориях показывает, что недостаточное научное обеспечение разработки основных технических решений приводит к ряду недостатков в практике изысканий, проектирования, строительства и эксплуатации систем инженерной защиты, таких как

- недоучет некоторых значимых причин, факторов и обстоятельств, обуславливающих условия, характер и уровень загрязнения природных вод на техногенно-нагруженных территориях, связанный с отсутствием их систематизации и классификации, независимой от поднадзорное™, отраслевой или ведомственной принадлежности источника загрязнения природных вод;

- недостаточное использование аппарата и методов анализа безопасности сложных природно-технических систем, оценок риска возникновения связанных с ними опасных ситуаций загрязнения природных вод и выработки управляющих воздействий, обеспечивающих нормативное качество природных вод;

- отсутствие современных нормативах требований о формировании еще на стадии декларации о намерениях единой, цельной концепции, увязывающей проблему защиты природных вод на всех стадиях жизненного цикла объекта: выбор площадки, инженерные изыскания, проектирование, строительство, эксплуатация, рекультивация, ликвидация; неполный учет особенностей процессов формирования и трансформации стока, образующегося на многообразных стокоформирующих комплексах техногенно-нагруженной территории при проведении гидрологических изысканий и расчетов, а также отсутствие для некоторых видов поверхностей, свойственных техногенно-нагруженным территориям, данных о величине коэффициента стока; недостаточное использование современных эффективных вычислительных возможностей при создании прогнозных гидрогеодинамических моделей и методов оптимизации управляющих воздействий характеристиками фильтрационных потоков; применение в ограниченных объемах современных геотехнических материалов (водонепроницаемых, фильтрующих, армирующих и др.) в конструкциях элементов систем инженерной защиты и в конструкциях самих накопителей отходов; неудовлетворительные масштабы применения современных технологий вовлечения элементов естественного геологического и гидролого-гидрогеологического комплексов в состав элементов конструкции систем инженерной защиты; некоторые другие недостатки.

В связи с изложенным, проблема совершенствования научного обеспечения систем инженерной защиты природных вод от загрязнения на техногенно-нагруженных территориях, которая позволила бы независимо от ее функционального назначения и природно-климатических условий создавать надежные, экологически безопасные системы, прогнозировать уровень негативного воздействия, оптимизировать технологию возведения, минимизировать эксплуатационные издержки и обеспечить условия для проведения эффективной рекультивации сооружений, с более детальным учетом многообразия природных факторов, которыми характеризуется конкретный объект, с использованием возможностей, которые предоставляются современным уровнем развития новых строительных материалов, представляется своевременной и актуальной. Разработанное научное обеспечение позволит: создавать надежные и экологически безопасные системы инженерной защиты природных вод; прогнозировать уровень негативного воздействия экологически опасных объектов на природные воды; оптимизировать технологию строительства элементов систем инженерной защиты природных вод; минимизировать эксплуатационные издержки и обеспечить условия для проведения эффективной рекультивации, с более детальным учетом многообразия природных факторов, которыми характеризуется конкретный район размещения техно-генно-нагруженной территории; полнее использовать в конструкциях систем инженерной защиты природных вод современные геотехнические материалы.

Изучению разнообразных аспектов функционирования сложных природно-технических систем, выражающихся во взаимодействии техногенно-нагруженных территорий и природных вод районов их размещения посвящены труды отечественных и зарубежных авторов, среди которых особое место занимают исследования Авакяна А.Б., Авессаломовой И.А., Алексеевой Т.Е., Арефьева Н.В., Иванова Ю.И., Айдарова И.П., Бездниной С.Я., Белоцерковского М.Ю., Беспамятного Г.П., Боров-кова B.C., Булавко А.Г., Васильева Ю.С., Вендрова C.JL, Венцюлиса JI.C., Водогрец-кого В.Е., Воронкова Н.А., Гавриленко М.Я., Глазовской М.А., Голованова А.И., Гольдберга В.М., Гордиенко С.Г., Даишева Ш.Т., Далысова М.П., Дьяконова К.Н., Иванова К.Е., Израэля Ю.А., Кветной И.А., Кирейчевой Л.В., Корытовой И.В., Косова В.И., Манукьяна Д.А., Маслова Б.С., Минаева И.В., Нестеренко И.М., Осипова Г.К., Панова Е.П., Пантелеева В.Г., Пашковского И.С., Самофалова Д.П., Семина Е.Г., Скорика Ю.И., Сметанина В.И., Соломина И.А., Стефанишина Д.В., Сухарева Ю.И., Тарасова Б.Г., Федорова М.П., Финагенова О.М., Фролова А.Н., Хрисанова Н.И., Черняева A.M., Шебеко В.Ф., Шикломанова И.А., Штыкова В.И., Шульмана С.Г., Шумакова Б.Б. Эделынтейна К.К. и ряд других работ, в которых рассматриваются проблемы генезиса процессов загрязнения поверхностных и подземных вод районов функционирования техногенно-нагруженных территорий, а также рассматриваются методические подходы к обоснованию путей решения проблемы обеспечения безопасности природных вод.

Несмотря на значительный объем проведенных ранее научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по решению проблемы защиты природных вод от загрязнения, по прежнему актуальной остается разработка научного обоснования технических решений систем инженерной защиты природных вод при проектировании, эксплуатации и рекультивации техногенно-нагруженных территорий. При решении этой комплексной задачи должны быть учтены современные требования экологической безопасности, и обеспечена высокая эффективность защиты природных вод и техническая надежностью систем инженерной защиты природных вод от загрязнения.

Исходя из вышесказанного была конкретизирована цель диссертационных исследований: решить важную народно-хозяйственную проблему по разработке научного обеспечения новых технических решений, конкретных методик оценок и расчетов, рекомендаций по проектированию, строительству и эксплуатации инженерной защиты природных вод от загрязнения в природно-технических системах на техногенно-нагруженных территориях, а так же ряда новых конкретных схем инженерной защиты, обладающих высоким уровнем надежности и экологической безопасности по отношению к природным водам.

Основными направлениями достижения указанной цели являлись:

- результаты анализа безопасности сложной природно-технической системы, позволяющий обосновать комплекс мероприятий, необходимый и достаточный для обеспечения экологической безопасности природных вод на территории, поверхностные и подземные воды которой могут подвергаться загрязнению;

- современные подходы к обоснованию расчетных гидрологических характеристик на техногенно-нагруженной территории и определению коэффициентов стока для некоторых видов поверхностей, характерных для техногенно-нагруженных территорий, полученных в натурных условиях;

- усовершенствованная методика численного моделирования пространственных фильтрационных потоков в областях фильтрации сложной конфигурации, кусочно-слоисто-неоднородными фильтрационными характеристиками и сложными условиями питания и разгрузки, применительно к моделированию фильтрационных потоков на техногенно-нагруженных территориях;

- опыт по разработке типовых решений систем инженерной защиты природных вод районов техногенно-нагруженных территорий, содержащих требования к техническим решениям и характеристику методик, используемых при их обосновании;

- достижения в области строительства конкретных современных систем инженерной защиты природных вод, обладающих высокой технической надежностью и экологической безопасностью.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и трех приложений.

Заключение диссертации по теме «Геоэкология», Сольский, Станислав Викторович

Выводы к главе 1

1. В Российской Федерации сложилась непростая ситуация с водоснабжением, несмотря на наличие самых высоких водных потенциалов в мире (более 30 тыс. м3 пресной воды в год на человека). На сегодня 70% рек и озер и 30% запасов подземных вод утратили свое значение, как источники питьевого водоснабжения в результате их загрязнения.

2. Основным и малоконтролируемым источником загрязнения природных вод в Российской Федерации (более 50% реально присутствующих в водных объектах загрязнений) являются рассредоточенные по водосборам (диффузные) источники, к которым также относится и все многообразие техногенно-нагруженных территорий.

3. По ряду объективных причин наибольший дефицит чистой воды приурочен к наиболее густонаселенным регионам с развитой промышленностью и сельским хозяйством, с наибольшим количеством образующихся на этих территориях отходов производства и потребления.

4. Таким образом, актуальность проблемы защиты природных вод от загрязнения несомненна и с развитием производства будет увеличиваться. В целом в этой проблеме может быть выделено два аспекта: 1). очистка сточных вод из сосредоточенных выпусков, то есть каким-то образом уже организованных сбросов; 2). защита поверхностных вод от загрязнения из «диффузных источников» , в которых весьма значительный вклад принадлежит загрязняющим веществам, поступающим в поверхностные и подземные воды от мест размещения отходов.

5. Методы очистки природных поверхностных и подземных вод, подвергшихся загрязнению, очистки водоемов от загрязненных донных отложений являются достаточно трудоемкими и дорогими. К тому же, в результате загрязнения природных вод, несмотря на принимаемые в последствии меры по его устранению, в водных объектах и на прилегающих к ним территориях происходят необратимые негативные процессы - наносится невосполнимый ущерб природе. Экономически выгоднее предотвратить загрязнение водного объекта с помощью ряда профилактических мер, чем тратить впоследствии значительные средства на его очистку.

6. В концепцию защиты природных вод от загрязняющих веществ в районах мест размещения отходов должен быть положен преимущественно профилактический ком

60 плекс мер, основанный в первую очередь на локальных системах инженерной защиты природных вод, предотвращающий поступление в загрязненные массивы чистых природных вод и вынос загрязняющих водорастворимых и взвешенных веществ в природные воды.

7. Деятельность органов законодательной и исполнительной власти, уполномоченных регулировать обращение с отходами, должна быть более эффективной. В системе государственной власти необходимо звено, отвечающее за решение проблемы отходов в Российской Федерации, что позволит решить проблемы финансирования в области обращения с отходами.

8. Необходимо совершенствовать нормативно-правовую базу, регулирующую обращение с отходами на территории Российской Федерации. Нормативные документы и законы должны быть приведены в соответствие и не противоречить друг другу.

9. Проблему отходов невозможно решить без опоры на самые широкие круги населения, поэтому требуется долгая воспитательная работа для того, чтобы привить людям бережное отношение к среде обитания.

Глава 2. УПРАВЛЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТЬЮ ПРИРОДНЫХ ВОД НА ТЕХНОГЕННО-НАГРУЖЕННЫХ ТЕРРИТОРИЯХ

2.1. Вводные замечания

Сосредоточенные источники загрязнения природных вод (постоянные выпуски сточных вод и сбросы предприятий), как правило, контролируются, даже, если и не выполняются или нарушаются условия сбросов в водные объекты. С диффузными источниками загрязнения дело обстоит гораздо сложнее. В первой главе приведен полный перечень объектов, потенциально являющихся источниками диффузного загрязнения, важно отметить, что на техногенно-нагруженных территориях значительное количество этих объектов сосредоточено на весьма ограниченных площадях. В целом охарактеризуем три основных источника диффузного загрязнения природных вод: площадные источники, несанкционированные и санкционированные места размещения отходов.

Как правило, у диффузных источников многолетняя, а иногда и вековая история. Для техногенно-нагруженных территорий характерен крайне высокий уровень загрязнения почво-грунтов верхней части разреза радиоактивными веществами, тяжелыми металлами (свинец, цинк, кадмий, хром, медь, олово и др.) и органическими токсикантами. Объясняется это использованием этих веществ в различных производствах, и неизбежным попаданием их либо непосредственно в грунт, либо использованием вместе с отходами производства в качестве материала подсыпки территории, либо потерь при временном хранении их на промплощадках и др.

Под техногенно-нагруженными территориями, понимаются территории, которые являлись или являются местами размещения различных отходов, или, что характерно для мегаполисов и промышленно развитых районов, были заняты объектами различных производств. В общем случае, речь идет о территориях, которые подвергались интенсивной техногенной нагрузке на протяжении многих десятков и зачастую и сотен лет и являются источниками загрязнения природных вод.

Несанкционированные места размещения отходов образовывались, а впоследствии разрастались, без всяких обоснований, зачастую стихийно, и в случаях их легализации им придавался статус природоохранных объектов по факту их наличия, естественно ни о каком обустройстве их в соответствии с действовавшими на то время нормами, речь просто не шла. Так же и санкционированные места размещения отходов, как правило, созданы и, большая часть из них, эксплуатируются в условиях крайне острой в них необходимости, при скудном финансировании, под прессингом администраций и руководства промышленных предприятий, они, по уровню выполения ими роли природоохранного объекта мало чем отличаются от несанкционированных мест размещения отходов. По крайней мере, привести уверенный пример обустроенного и эксплуатирующегося по всем правилам места размещения отходов, у которого не было бы проблем с загрязнением природных вод затруднительно.

Практика показывает, что, несмотря на угрожающую обстановку, для техноген-но-нагруженных территорий не только не существует комплексных программ или планов мероприятий по защите природных вод от загрязнения, по сути, не разработаны даже методические основы управления качеством природных вод. Во второй главе проработан вопрос обоснования управляющих воздействий, направленных на снижение уровня негативного влияния элементов техногенно-нагруженной территории на природные воды с привлечением аппарата анализа безопасности сложных природно-технических систем.

2.2. Порядок анализа безопасности в природно-технической системе «экологически опасный объект - природные воды» Ввиду специфики рассматриваемых процессов загрязнения природных вод на техногенно-нагруженных территориях и привлечение к детальному изучению элементов этой сложной системы аппарата анализа безопасности вводится понятие «опасная ситуация» применительно к загрязнению природных вод.

Перед тем, как перейти к выявлению сновных причин, обуславливающих как саму возможность, так и поясняющих условия и масштабы загрязнения природных вод на техногенно-нагруженных территориях и ожидаемые сложности при организации управляющих воздействий по защите природных вод от загрязнения, введем понятие «опасная ситуация» (далее ОС) на ТНТ по отношению к загрязнению природных вод. Это понятие вводится с целью вычленить из массы негативных воздействий на окружающую природную среду, возможных на техногенно-нагруженной территории круг проблем, связанных непосредственно с загрязнением природных вод.

Суть «опасной ситуации» заключается в создании на объекте условий либо сверхрасчетного перманентного поступления в природные воды загрязняющих веществ в виде фильтрата; либо единовременного выхода за пределы контура отвала масс отходов в виде технологического селя, обусловленного чрезмерной его обводненностью; либо при возникновении аварийных ситуаций в технологических элементах обращения отходов на объекте, связанных с проливами загрязняющих веществ. Это понятие, безусловно, перекликается с термином «авария», где авария - опасное техногенное происшествие, создающее на объекте, определенной территории или акватории угрозу жизни и здоровью людей и приводящее к разрушению зданий, сооружений, оборудования и транспортных средств, нарушению производственного и транспортного процесса, а также нанесению ущерба окружающей природной среде [79]. Вводимое понятие «опасная ситуация» включает в себя случаи сценарно практически не рассматриваемые при анализе безопасности ни опасных промышленных объектов, попадающих под сферу действия закона «О промышленной безопасности» [307], ни гидротехнических сооружений, попадающих под действие закона «О безопасности ГТС» [308]. Кроме того, для веденного понятия имеется единственный реципиент риска - природные воды (поверхностные и подземные) и единственное воздействие - загрязнение природных вод (диффузионное и аварийное).

Следует отметить, что существует целый класс объектов - места размещения отходов, на которых возможно возникновение обстановки по сути своей являющейся аварийной в общепринятом смысле, но не имеющей заметных внешних проявлений. На таких объектах при возникновении и развитии опасной ситуации вряд ли возможно разрушение зданий и сооружений, уничтожение оборудования и транспортных средств, создание непосредственной угрозы жизни и здоровью людей. Последствия загрязнения природных вод трудно поддаются количественным оценкам по определению финансового обеспечения ущерба (прямые ущербы), а вот косвенные ущербы от возникновения и развития опасных ситуаций могут оказаться крайне велики. Экологические аварии носят долгосрочный характер, имеют широкое территориальное распространение и могут быть практически неустранимыми.

Потенциальная опасность загрязнения природных вод на техногенно-нагруженных территориях обусловлена:

- с одной стороны высоким фоновым уровнем загрязнения такой территории в целом (причина диффузного загрязнения природных вод) и,

- с другой стороны, сложившейся на территории практикой обращения с отходами, в первую очередь при размещении (временном или постоянном) всевозможных видов отходов (причина перманентного и аварийного загрязнения природных вод).

В целом, загрязнение природных вод на техногенно-нагруженной территории определяется рядом факторов: высоким содержанием в почво-грунтах территории и в массах отходов водорастворимых химических соединений, потенциально способных загрязнять поверхностные и подземные воды; нарушением естественных характеристик поверхности территории, способствующем загрязнению водных объектов взвешенными веществами; накоплением на ограниченной территории значительных масс отходов (иногда о десятки млн. м ); высокие концентрации загрязняющих веществ в образующемся фильтрате; неизбежным воздействием на размещенные отходы климатических факторов (в первую очередь - осадков), и как следствие - создание в массах отходов промывного водного режима; непосредственной близостью к массам отходов природных вод как подземных, так и поверхностных; возможными отклонениями от проектных параметров защитных конструктивных элементов; длительными сроками существования объектов обращения с отходами; изменением во времени (как в процессе накопления отходов, ввиду изменеий в технологии производства, так и в самих массах отходов) физико-механических и химических характеристик и химического состава масс отходов; возможными изливами на поверхность отжимаемой из масс отходов под собственным весом или при нагружении поровой жидкости, способствующей ее смешению с природными поверхностными водами; старением материалов конструктивных элементов систем обустройства объектов обращения с отходами и территорий их размещения; как правило, агрессивностью фильтрата по отношению к бетону, металлу, оболочкам кабелей и пр.; возможные нарушения условий строительства, эксплуатации и рекультивации объектов обращения с отходами (человеческий фактор); массы отходов как техногенные инженерно-геологические элементы, как правило, обладают низкими прочностными характеристиками, и относятся к слабым основаниям.

Учитывая комплексность проблем подлежащих решению при организации защиты природных вод на ТНТ, многофакторность причин, порождающих проблему загрязнения вод, явную методологическую связь между термином «авария» и вводимым понятием «опасная ситуация», для разработки комплекса мероприятий по управлению экологической безопасностью системы «объект обращения с отходами - природные воды» предлагается использовать аппарат системного анализа безопасности сложной природно-технической системы [218], адаптированного к кругу проблем, связанных с защитой природных вод от загрязнения.

Задача анализа безопасности сложной природно-технической системы «экологически опасный объект - природные воды» в классической постановке сводится к идентификации опасностей, возникающих при строительстве, эксплуатации, рекультивации и консервации техногенного объекта по отношению к природным водам, определение характера и уровня этих опасностей, оценке приемлемости риска реализации возникающих опасностей, и установлению наиболее эффективных управляющих воздействий на объект, с целью уменьшения риска загрязнения природных вод.

Систему «экологически опасный объект - природные воды» следует рассматривать как сложную природно-техническую систему, характеризующуюся дополнительными факторами риска взаимного влияния элементов этой системы как при нормальном их функционировании, так и при возникновении опасных ситуаций в системе в процессе строительства, эксплуатации, консервации и рекультивации.

Для таких природно-технических систем характерен ряд принципиальных особенностей:

- в процессе строительства, эксплуатации, рекультивации и консервации экологически опасного объекта невозможно избежать контакта с природными водами, при такой непосредственной близости возникает ряд дополнительных факторов риска как для объекта, так и для природных вод;

- формируемая природно-техническая система включает в себя столь сложные и разнородные элементы, как экологически опасный объект, природные воды и «буферная» зона между объектами - «источник опасности - реципиент риска»;

- дополнительные факторы риска в такой сложной природно-технической системе появляются как при аварии, возможной на объекте, так и в нормальном режиме функционирования элементов системы;

- в период строительства экологически опасного объекта возникают дополнительные факторы риска, причем характер и уровень опасных воздействий могут отличаться от факторов риска, возникающих в период эксплуатации объектов системы;

- помимо традиционных (персонал, население, окружающая среда), реципиентами дополнительного производственного риска, возникающего вследствие контакта опасного объекта и природных вод, оказываются сами элементы формируемой природно-технической системы;

- удаление (изоляция) экологически опасного объекта от природных вод, полностью исключающее его влияние, как правило, не представляется возможным;

- собственники таких объектов зачастую относятся к ним также как «свалкам на заднем дворе», умышленно нарушая правила эксплуатации, сокращая обслуживающий персонал и финансируя объекты по остаточному принципу.

Разработана следующая процедура анализа опасностей и риска сложной природно-технической системы [21,274, 275,277-279, 282, 284,286, 287, 289] :

1. определение природно-технической системы и характеристика ее основных элементов;

2. декомпозиция системы на характерные подэлементы, участки, блоки и узлы;

3. прогноз характера и уровней дополнительных факторов риска - отрицательных воздействий подэлементов экологически опасного объекта на природные воды территории его размещения, возможных в штатных режимах и при аварии;

4. анализ и оценка риска возникновения опасной ситуации на территории размещения объекта обращения с отходами;

5. разработка мероприятий по обеспечению безопасности природных вод в условиях размещения на данной территории экологически опасного объекта.

Определение природно-технической системы выполняется путем идентификации ее основных элементов и системообразующих связей между ними, а также пространственных границ системы.

В терминах анализа безопасности признаком формирования природно-технической системы является такое сближение объектов, при котором опасные воздействия одного могут привести к нарушению исправного состояния другого. Критерием ограничения природно-технической системы служит снижение до пренебрежимо малых уровней опасных взаимных воздействий элементов системы друг на друга.

Характеристика основных элементов ПТС необходима для максимально полного учета специфических особенностей системы и дополнительных факторов риска, возникающих при контакте природных вод с экологически опасным объектом. Как правило, основными элементами ПТС являются природные (грунтовые и поверхностные) воды, объект, а также буферная зона между ними, поскольку именно от ее состояния и обустройства существенно зависит характер и уровень опасных воздействий в системе.

Декомпозиция системы на характерные подэлементы, участки, блоки, узлы выполняется с учетом природных факторов (климата, рельефа, инженерно-теологических, гидрогеологических, гидрологических условий и др.) территории размещения экологически опасного объекта, компоновки самого объекта, свойств и состояния буферной зоны. Критерий разбиения - однородность свойств подэлементов и характера опасностей, возникающих при их сближении. Декомпозиция системы позволяет обеспечить полноту и детальность анализа безопасности.

Прогноз характера и уровней дополнительных факторов риска отрицательных воздействий подэлементов экологически опасного объекта на природные воды выполняется с учетом количества и опасных свойств обращающихся в элементах объекта веществ, их конструктивных особенностей и наличия контрольно-измерительной аппаратуры, а также норм и правил эксплуатации объекта.

Особо следует учесть, что основным реципиентом риска при этом являются собственно природные воды, поэтому из всего спектра опасностей необходимо детально рассматривать те, которые могут привести к нарушению качества (основных свойств) грунтовых и поверхностных вод.

В отдельную группу выделяются перманентные воздействия на природные воды, неизбежные в процессе строительства и эксплуатации, к которым можно отнести, например, нарушения сложившихся на территории гидрологического, фильтрационного, гидрохимического режимов, тепловые, и другие воздействия.

Характер и уровни дополнительных факторов риска, выявленные на предыдущих этапах анализа, позволяют сформулировать перечень вероятных сценариев возникновения и развития опасной ситуации для природных вод. Далее для каждого из сценариев выполняется оценка частоты его реализации и последствий для природных вод территории размещения экологически опасного объекта. Оценки могут быть как качественными, так и при наличии детальной информации о частоте и последствиях возникновения опасных воздействий - количественными. По результатам оценки основных составляющих риска выполняется классификация опасных воздействий на природные воды по уроню риска и оценка приемлемости риска для самих природных вод. Это позволит ранжировать инциденты, которые могут создать опасную ситуацию для природных вод, что в свою очередь позволяет выбрать приоритетные мероприятия по обеспечению безопасности природных вод.

Разработка конкретных мероприятий по обеспечению безопасности природных вод на территории размещения экологически опасного объекта выполняется согласно выбранным приоритетам и с учетом особенностей основных элементов природно-технической системы - объекта, буферной зоны и природных факторов, присущих данной территории. Цель мероприятий - наиболее эффективное снижение опасностей для природных вод как перманентных, так и залповых (аварийных) от экологически опасного объекта. Кроме того, дополнительное инженерное обустройство элементов природно-технической системы позволяет в большинстве случаев разместить опасный объект на данной территории, согласовав природоохранные и экономические соображения.

Достаточность мероприятий по инженерной защите природных вод обеспечивается полнотой и детальностью анализа опасностей и риска для природно-технической системы.

В целом этапы, структура и содержание организации и планирования работ по проведению анализа безопасности природных вод в сложной природно-технической системе не будут отличаться от принятых [90, 168, 185, 311, 341, 345]. Имеющиеся отличия обуловлены специфическими условиями формирования качества вод на техногенно-нагруженных территориях и в значительной мере зависят от стадии жизненного цикла рассматриваемой системы или ее элемента (проектирование, строительство, эксплуатация, консервация, рекультивация).

При организации и планировании анализа безопасности требуется:

1) описать причины и проблемы, вызвавшие необходимость анализа риска;

2) определить сферу исследования - анализируемую природно-техническую систему, и дать ее описание;

3) подобрать необходимую группу исполнителей для проведения анализа безопасности;

4) определить и описать источники информации о системе и ее безопасности;

5) указать ограничения исходных данных, финансовых ресурсов и других факторов, определяющих глубину, полноту и детальность процесса анализа безопасности;

6) определить цели анализа безопасности;

7) выбрать методы анализа риска с учетом целей, объема и качества исходных данных о системе, состава группы исполнителей и уровня их квалификации;

8) определить (по возможности) критерии приемлемого риска опасных ситуаций для систем данного типа, класса и назначения.

9) наметить круг возможных управляющих воздействий, снижающих уровень риска возникновения или проявления опасной ситуации и оценить их эффективность.

Описание причин и проблем, вызвавших необходимость анализа безопасности в природно-технической системе, должно включать основание для проведения анализа безопасности - обоснование проектных решений, составление регламентов по мониторингу и эксплуатации, необходимость выбора приоритетов при ремонтно-восстановительных работах и т.д.

Определение области исследования должно включать общее описание природно-технической системы в целом, описание ее отдельных элементов, условий их размещения и эксплуатации, а также технические, экологические, организационные и человеческие факторы, имеющие отношение к конкретной природно-технической системе.

Экспертная группа для проведения анализа риска опасных ситуаций в ПТС, как правило, должна включать специалистов в области гидрологии, гидрогеологии, гидрохимии, экологии, геотехники, проектирования объектов обращения с отходами, лиц, отвечающих за эксплуатацию сооружений и их безопасность представители соответствующих надзорных органов [90, 159, 168,185, 311, 340, 341, 345].

Определение и описание источников информации о сооружении и его безопасности должно включать сведения о проектной и исполнительной документации, правилах эксплуатации объекта в целом, данные об имевших место авариях и неполадках на исследуемом объекте и аналогичных сооружениях, а также сведения о результатах анализа безопасности объектов - аналогов, если таковые существуют.

Ограничения исходных данных, финансовых ресурсов и других факторов, определяющих глубину, полноту и детальность процесса анализа безопасности в природно-технической системе, должны быть четко зафиксированы и обоснованы (например, отсутствие на объекте проектных и исполнительных документов отрицательно скажется на результатах оценки соответствия параметров и состояния сооружения проектным, но при наличии временных и финансовых ресурсов оно может быть восполнено архивными материалами проектной организации или путем проведения специализированных обследований и изысканий и т.п.).

Цели анализа безопасности должны быть определены и зафиксированы на этапе организации и планирования работ, исходя из причин и проблем, вызвавших необходимость проведения такого анализа, и с учетом ограничений исходных данных, финансовых ресурсов и других факторов [168, 311, 341, 345]. На разных этапах жизненного цикла объекта могут определяться различные конкретные цели анализа безопасности.

На этапе выбора площадки и проектирования экологически опасного объекта целью анализа безопасности может быть: идентификация возможных опасностей и априорная сравнительная оценка риска возникновения ОС для различных вариантов размещения объекта на площадке; идентификация возможных опасностей и априорная сравнительная оценка риска возникновения ОС для различных вариантов основных конструктивно-технологических решений, закладываемых в проекте при обосновании оптимального варианта; обоснование допустимости (приемлемости) риска ОС проектируемого объекта для природных вод территории, как элемента окружающей природной среды; обеспечение информацией для разработки инструкций по обеспечению экологической безопасности при строительстве и эксплуатации проектируемого объекта, планов ликвидации аварийных ситуаций, планов действий в чрезвычайных ситуациях и т.д.; обоснование страховых тарифов и ставок для заключения договора страхования гражданской ответственности объекта - его владельца; обоснование схемы размещения контрольно-измерительной аппаратуры; разработка Программы мониторинга состояния элементов сооружений и конструкций и контроля качества поверхностных и подземных вод, установление показателей состояния элементов объекта и природных вод; разработка Критериев и Декларации безопасности сооружения, а также расчет вероятного вреда, возможного при возникновении гидродинамической аварии (для объектов подпадающих под действие ФЗ о безопасности гидротехнических сооружений ) обоснование и установление санитарно-защитной зоны; возможная корректировка некоторых конструктивно-технических решений, в недостаточной мере обеспечивающих надлежащий уровень безопасности сооружения.

На этапе ввода в эксплуатацию объекта целью анализа безопасности может быть: идентификация возможных опасностей и оценка риска ОС, возможных на этапе ввода объекта в эксплуатацию, уточнение оценок риска, полученных на предыдущем этапе «жизненного цикла» объекта; уточнение степени готовности сооружения к вводу в эксплуатацию; уточнение комплекса мероприятий по расконсервации объекта начатого строительством, после длительного перерыва в работе; корректировка графика завершения строительства объекта; проверка соответствия условий ввода объекта в эксплуатацию требованиям экологической безопасности, с учетом возможного за период строительства изменения пра-вово-нормативной базы; разработка и уточнение инструкций по вводу в эксплуатацию объекта; уточнение плана мероприятий по предотвращению опасных ситуаций на объекте, локализации и ликвидации последствий опасных ситуаций и др.

На этапе эксплуатации и реконструкции объекта целью анализа безопасности может быть: уточнение информации об основных опасностях; оценка соответствия состояния объекта и условий его эксплуатации современным нормам и правилам; определение приоритетных мер по ремонту и реконструкции объекта, обоснование эффективности затрат на ремонт и реконструкцию; уточнение страховых тарифов и ставок; квалифицированное расследование причин имевших место ОС и неполадок на объекте; разработка рекомендаций по организации экологически безопасной эксплуатации объекта, взаимодействию с органами надзора, лицензирования и т.д.; совершенствование планов локализации опасных (аварийных) ситуаций и действий в чрезвычайных ситуациях; корректировка проектных решений по реконструкции и др.

На этапе вывода из эксплуатации и консервации (рекультивации) объекта целью анализа риска опасной ситуации может быть: обоснование необходимых и достаточных мер по консервации объекта, обеспечивающих его безопасность на стадиях вывода из эксплуатации и консервации; уточнение концепции рекультивации; последовательность и генеральная схема рекультивации; обоснование возможности размещения новых объектов на территории законсервированного сооружения; контроль за экологическим состоянием природных вод на рекультивируемом объекте и др.

Критерии приемлемого риска возникновения опасной ситуации на объекте могут быть заданы нормативно-правовыми актами или определены на этапе организации и планирования работ. Основные требования к выбору критериев приемлемого риска - их обоснованность и определенность. В общем виде основой для определения критериев приемлемого риска являются: законодательство по экологической безопасности; правила и нормы при водопользовании; правила, нормы безопасности в области обращения с отходами; дополнительные требования специально уполномоченных органов надзора и контроля за экологической безопасностью; сведения об имевших место опасных ситуаций на объекте или объектах-аналогах и их последствиях; региональные законодательные и нормативные акты; соглашение о допустимости риска в случае опасной ситуации между заинтересованными сторонами; опыт практической деятельности.

В любом случае уровень возможного загрязнения природных вод не должен превышать уровни допустимого воздействии на окружающую природную среду, одобренные при прохождении экологической экспертизы в специальных уполномоченных органах Ростехнадзора.

2.3. Идентификация опасностей загрязнения природных вод района техногеннонагруженной территории

Идентификация опасностей для конкретной природно-технической системы должна включать следующие основные шаги [90, 168, 185]: предварительный анализ опасностей ПТС; разработка перечня возможных нежелательных процессов и событий, приводящих к опасной ситуации в ПТС; формирование перечня основных сценариев возникновения и развития опасных ситуаций в ПТС; ранжирование основных сценариев возникновения и развития опасных ситуаций в ПТС по уровню опасности для персонала объекта, населения, имущества и окружающей природной среды (в частности для природных вод); выбор дальнейших направлений деятельности по анализу риска ПТС.

Предварительный анализ опасностей (ПАО) природно-технической системы выполняется с целью выявления опасных элементов и конструкций и воздействий на них, способных привести к аварии. Это - один из ответственных этапов анализа риска, поскольку не выявленные на этапе ПАО опасности не подвергаются дальнейшему рассмотрению и исчезают из поля зрения группы специалистов, выполняющих анализ риска аварий [185, 311].

Результаты ПАО рекомендуется оформлять протоколом предварительного анализа опасностей в виде таблицы (см. таблицу 2.3.1).

Список литературы диссертационного исследования доктор технических наук Сольский, Станислав Викторович, 2007 год

1. Предложен порядок анализа безопасности в природно-технической системе «экологически опасный объект природные воды».

2. Приведены общие сведения о процедуре вычисления, оценки и определения значимости риска возникновения опасной ситуации в сложной природно-технической системе, адаптированной к специфике рассматриваемых проблем загрязнения природных вод.

3. Даны предложения по управлениюе безопасностью природных вод на техногенно-нагруженных территориях.

4. Глава 3. РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ГИДРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕХНОГЕННО-НАГРУЖЕННЫХ ТЕРРИТОРИЙ31. Вводные замечания

5. По полученным данным возможна разработка расчетной гидрологической модели района, позволяющей прогнозировать обеспеченные гидрологические характеристики.

6. На основании этих материалов могут быть рассмотрены варианты концепции защиты природных вод района от загрязнения, очередность ее реализации, основные конструктивные элементы и др.

7. Однако при необходимости получения гидрологических характеристик специалисты сталкиваются с проблемой отсутствия до настоящего времени методов расчета их именно для техногенно-нагруженных территорий.

8. Основные особенности гидрологических характеристик территорий, подвергшихся антропогенному воздействию

9. В результате техногенного преобразования природных ландшафтов на таких территориях происходят значительные и необратимые изменения факторов формирования и дорусловой трансформации стока вод и изменения их гидрологических характеристик.

10. На техногенно-нарушенных территориях и, в частности, в местах размещения отходов можно выделить несколько типичных стокоформирующих комплексов:

11. Дно и борта каналов с креплением. Практически все осадки, выпавшие на эти площади, трансформируются в сток.

12. Площади, занятые естественными, еще не измененными поверхностями. Условия формирования поверхностного стока с этой территории идентичны условиям, характерным для соответствующей природной зоны.

13. Захламленные насыпные поверхности, покрытые травянистой растительностью и редким кустарником. Условия формирования стока на такой территории соответствуют естественным малым водосборам с небольшими уклонами.

14. Акватории кюветов, открытых дренажных и транспортирующих каналов на территории. Условия формирования стока с каналов соответствуют условиям стока с площади естественных водоемов.

15. Газоны, расположенные по периферии строений и вблизи них, перехватывающие часть стока с крыш при отсутствии его непосредственного канализационного отвода.

16. Уже в начальной стадии строительства, планировки территории, создания коммуникаций, возведения вспомогательных сооружений возникают очаги местной усиленной инфильтрации, благоприятствующие переводу поверхностных вод в подземные.

17. Для определения коэффициента стока с техногенно-нагруженных территорий необходимо иметь данные об объемах аккумулированной на поверхности воды и связанные с ними потери на испарение и инфильтрацию.

18. Приведенные в 56, 139. значения коэффициентов стока показывают, что даже для одного и того же типа застройки они могут различаться в несколько раз.

19. Наличие урбанизированных территорий оказывает большое влияние на условия формирования дождевых паводков, на их режим и величину.

20. Гидрограф дождевого стока с урбанизированной территории имеет резко отличный от естественного гидрографа ход: более высокий максимум, смещение в сроках его наступления.