K ohrození obyvatelstva a zivotního prostredí nebezpecnými látkami muze v soucasné dobe dojít nejen pri havarijních únicích z technologických a výrobních zarízení nebo pri dopravních nehodách, ale také pri teroristickém útoku. Aby mohly být tyto události verohodne numericky modelovány, je nutné vyvinout a overit príslusný model sírení a úcinku. Jiz nyní je k dispozici celá rada softwarových nástroju, avsak není mnoho tech, které dokází modelovat rozptyl oblaku aerosolu. Prihlédneme-li ke skutecnosti, ze aerosoly mohou predstavovat vázné ohrození obyvatelstva, protoze mohou slouzit jako nosice nebezpecných látek, je vývoj príslusného rozptylového modelu aktuální potrebou. Zádný skutecne kvalitní model se vsak neobejde bez praktického overení v reálných podmínkách. Pro tento úcel je potreba provést za predem definovaných podmínek terénní testy a za vyuzití nejmodernejsích metod detekce a vyhodnocení namerených dat pak získat informace nutné pro zpresnení navrzeného modelu i urcení okrajových podmínek jeho mozného pouzití. Výse uvedená problematika je v uvedeném rozsahu a kvalite v soucasnosti resena jen nekolika málo výzkumnými institucemi na svete. V Ceské republice se tomuto problému venuje v rámci resení projektu „1H-PK2/35: Overení modelu sírení a úcinku ohrozujících událostí“ spolecnosti T – SOFT, s.r.o., Výzkumný ústav bezpecnosti práce, v.v.i., ISATech, s.r.o. a Spolek pro chemickou a hutní výrobu, a.s. Projekt je spolufinancován Ministerstvem prumyslu a obchodu CR.

Klícová slova: modelování, rozptyl, terénní testy, atmosféra

Abstract

Nowadays, the inhabitants and environment can be endangered by dangerous substance not only when they escape from processing and manufacturing facilities, but also in case of a terrorist attack. To be able to provide credible numerical models of the events, it is necessary to develop and verify a relevant model of spread and impacts. Although there is a wide range of software tools already available, very few of them are capable of modelling the spread of aerosol clouds. Regarding the fact that aerosols can pose a serious threat to inhabitants, as they can serve as carriers of dangerous substances, the development of an adequate spread model is necessary. However, no high-quality model can do without being tested and verified in real conditions. For this reason it is necessary to carry out field tests under pre-defined conditions and using the latest detection methods, and to evaluate the measured data in order to gain information necessary for the improvement of the model and specification of boundary conditions for its future use. The above described issue is – in the defined scope and quality – resolved by only a few research institutions in the world. In the Czech Republic this issue is covered by the project of “1H-PK2/35: Verification of the model of spread and impacts of life-threatening events” carried out by T – SOFT Company, Occupational Safety Research Institute, ISATech Company and the Association for Chemical and Metallurgical Production. The project is financially supported by the Ministry of Industry and Trade of the Czech Republic.

Key words: modelling, dispersion, field tests, atmosphere

Úvod

Výzkumný projekt 1H-PK2/35 „Overení modelu sírení a úcinku ohrozujících událostí“, pracovne oznacovaný jako SPREAD, má za cíl overit model sírení prachových cástic, resp. aerosolu, které mohou v prípade mimorádné události plnit také roli nosicu toxických, radioaktivních ci biologických informací. Vetsina modelovacích programu pracuje prevázne s událostmi typu prumyslových havárií, ale v dnesním svete nelze vyloucit ani pouzití „spinavé bomby“ pri teroristickém útoku. Cílem projektu je proto vytvorit matematický model pro rozptyl oblaku pevného aerosolu uvedeného do vznosu jednorázovou iniciací. Unikátní soucástí projektu SPREAD je overování navrzeného modelu za reálných podmínek v terénu.

Projekt, který byl zahájen v roce 2005 a který v roce 2008 koncí, je spolufinancován Ministerstvem prumyslu a obchodu CR. Resiteli jsou spolecnosti T – SOFT, s.r.o., Výzkumný ústav bezpecnosti práce, v.v.i., ISATech, s.r.o. a Spolek pro chemickou a hutní výrobu, a.s. Dalsími spolupracujícími organizacemi jsou napríklad Ceský hydrometeorologický ústav, Ústav pro zivotní prostredí University Karlovy, Výzkumný ústav pro hnedé uhlí, Ústav termomechaniky Akademie ved CR, Pyrotechnický odbor Policejního Prezidia CR, Policejní akademie CR a Univerzita obrany v Brne. Na terénních testech se aktivne podíleli také vojáci z 31. brigády radiacní, chemické a biologické ochrany Armády CR.

Terénní testy

Hlavním výstupem projektu je overený matematický model ve forme funkcního softwaru. Tento modul je postupne vyvíjen jiz od konce roku 2006, pricemz v letech 2007 a 2008 byl postupne overován a zpresnován na základe výsledku získaných ze ctyr sérií terénních testu. Overování matematického modelu v terénu je pomerne významnou a nejnárocnejsí soucástí vývoje modelovacích softwaru. Ovsem ne kazdý software, který je k dispozici na trhu, je takto overen, coz jejich uzivatelé vetsinou ani nevedí. Výsledky poskytované temito programy lze proto z mnoha duvodu povazovat na velmi nejisté a pro úcely presného modelování následku mimorádné události je nelze pouzít. Z tohoto ohledu je projekt SPREAD unikátní, protoze v podobném rozsahu nebyly u nás behem posledních let zádné modely overovány.

Prvním krokem pri príprave terénních testu je vzdy výber nejvhodnejsí lokality, která musí splnovat nekolik kritérií. Tento úkol byl jedním z nejdulezitejsích ale i nejtezsích. Dalsím krokem byl výber stopovace, který by byl vhodný k provedení testu. Se stopovacem velmi úzce souvisí dalsí krok, kterým je výber trhaviny. Trhavina pro tento typ pouzití nesmí spékat vybraný stopovac a musí mít dostatecnou výbuchovou rychlost. Jelikoz projekt uvazuje jako iniciacní událost pouzití tzv. spinavé bomby, mela by být trhavina i relativne snadno dostupná. Vsechny tyto aspekty byly pri výberu zohlednovány.

Výber lokality

Jiz v roce 2006, rok pred provedením hlavních testu, byly provedeny „predtesty“, které mely za cíl proverit správnost navrzené metodiky a identifikovat mozné problémy, se kterými se lze pri provádení hlavních testu setkat. Pro tento úcel byla vybrána lokalita Tisá, kde se nachází vojenský výcvikový prostor 31. brigády chemické, biologické a radiacní ochrany ACR v Liberci. Polygon v lokalite Tisá (okres Ústí nad Labem) predstavuje travnatou plochu priblizne oválného tvaru uzavrenou po obvodu lesním porostem. Plocha polygonu byla pokryta travnatou vegetací, která byla v dobe terénních testu posekána. Odstranena byla také vetsina náletových drevin, které by mohly svou prítomností ovlivnit charakter proudení vzduchu nad plochou polygonu. Provedení testu vsak ukázalo, ze je tato lokalita zcela nevhodná, protoze proudení vzduchu zde bylo výrazne ovlivnováno místní topografií, terénními prekázkami a také velikostí a tvarem otevrené plochy. Tyto testy ukázaly, ze otevrená a rovná krajina s dostatecným volným prostorem pro rozmístení detekcních míst je pro tento typ terénních zkousek naprosto nezbytná. Pro hlavní testy bylo tedy nutné vytipovat a zajistit jiný prostor, kde by bylo mozné provádet bánskou cinnost. Lokalitou pro hlavní testy se stalo polní letiste v Ústí nad Labem (viz obr. 1 a 2), kde bylo Ceským bánským úradem povoleno provádet rízené výbuchy.

Testy byly provedeny v roce 2007 a to ve trech etapách – v dubnu, cervnu a zárí. Krome aspektu ciste odborných byly pri výberu lokality zohledneny také její dostupnost, moznost zajistení technických a materiálních potreb a financní nárocnost.

Obrázek 1: Letecký snímek lokality Ústí nad Labem a jejího nejblizsího okolí; Zdroj: www.mapy.cz

Obrázek 2: Pohled na jihozápadní polovinu plochy letiste v Ústí nad Labem; Autor: Michaela Havlová.

Výber termínu a klimatologické charakteristiky lokality

Výber termínu vhodných pro provedení testu byl proveden na základe výsledku analýzy klimatických charakteristik lokality a analýzy rozptylových podmínek, které zpracoval Ceský hydrometeorologický ústav v Ústí nad Labem.

Základními pozadavky pro volbu termínu byly:

Ruzná rocní období s absencí extrémních podmínek pro rozptyl aerosolu v ovzdusí – zcela vyloucena byla taková období, kdy se v lokalite vyskytuje nejvíce dní s prílis dobrými rozptylovými podmínkami, resp. nepríznivými. Pro to, aby bylo mozné overit rozptylový model pro tzv. nejpravdepodobnejsí scénár, bylo nutné testy provést nejlépe pri cástecne zhorsených podmínkách rozptylu, které statisticky nastávají nejcasteji (viz obr. 3).
Období s rozdílnou insolací – tento pozadavek je dulezitý z hlediska zohlednení vlivu energie slunecního zárení dopadajícího na povrch. Pripravovaný softwarový modul bude totiz uzivateli nabízet moznost volby rocního období.
Pokud mozno období s nízkou mírou uplatnení termické konvekce – výrazné zahrívání zemského povrchu vede ke vzniku výstupných proudu, které mohou výrazným zpusobem negativne ovlivnit prubeh merení. Z tohoto duvodu je nutné testy provádet mimo nejteplejsí mesíce roku a v denních hodinách, kdy jeste není zemský povrch prílis prohrátý (nejlépe v dopoledních hodinách).
Období s malým poctem dnu s nárazovým vetrem, vetrem promenlivého smeru a s co nejnizsí prumernou rychlostí vetru – vítr je hlavní faktor, který se uplatnuje pri rozptylu vzniklého oblaku v atmosfére (viz obr. 4). Kolísání rychlosti vetru a promenlivost smeru proudení je vsak faktor, který výraznou merou ovlivní prubeh experimentu. Díky této skutecnosti muze být trajektorie postupu oblaku komplikovaná, coz výrazne ztezuje jak vyhodnocení výsledku, tak i jejich vyuzitelnost pro validaci matematického aparátu, který je postaven na Suttonove modelu, jez uvazuje nemenné podmínky v proudení vzduchu. Nízká prumerná rychlost (cca do 3,5 m/s) je pak vhodná pro to, ze za takových podmínek se oblak prílis nerozsiruje do prostoru a koncentrace cástic proto se vzdáleností od epicentra výbuchu klesá pomaleji. Tato skutecnost je dulezitá pro pasivní detekci cástic záchytem na tercících. Pri vyssích rychlostech vetru jsou tercíky také výrazneji obtékány vzduchem, coz snizuje úcinnost záchytu cástic na jejich povrchu.
Vysoká relativní cetnost jihozápadního az západního proudení – pro získání co mozná nejlepsích výsledku, je nutné, aby orientace síte korelovala s prevládajícím smerem vetru v této lokalite. Sít je proto orientována ve smeru JZ-SV.
Období s nízkou pravdepodobností výskytu srázkové cinnosti a mlh – srázková cinnost nebo zvýsená vlhkost vzduchu výraznou merou ovlivní depozici cástic, která vsak pro úcely testu není zohlednována. Proto, aby nebyly výsledky zkreslovány výrazným úbytkem poctu cástic tímto zpusobem, je nutné provádet testy mimo období s nejvetsí cetností srázek a výskytu mlh (viz obr. 5).
Terén, kde je mozné zajistit pozadovanou výsku rostlinného pokryvu (pozadovaná hodnota koeficientu drsnosti povrchu z₀) pro vsechny testy. Pro statistické vyhodnocení úspesných testu je nutné, aby nebyly pri zádném z nich výrazneji meneny podmínky, vyjma podmínek atmosférických. Tento pozadavek se vztahuje také na drsnost povrchu, která se výrazne uplatnuje pri sírení oblaku tezsích nez vzduch.
Minimální casový odstup mezi jednotlivými testy – nejen z duvodu prubezného vyhodnocení, ale také pro zajistení pokrytí jednotlivých rocních období s ruznými atmosférickými podmínkami, je vhodné, aby minimální casový odstup mezi jednotlivými sériemi testu byl alespon 2 mesíce.

Tato výse uvedená kritéria jsou nejlépe splnena v mesících dubnu, cervnu a zárí, coz lze dolozit i níze uvedenými výsledky analýz provedených Ceským hydrometeorologickým ústavem. Ne vsechny aspekty jsou sice splneny zcela, nicméne tyto termíny predstavují optimální kompromis.

Obrázek 3: Charakteristika rozptylových podmínek behem roku v lokalite letiste v Ústí nad Labem (sipky znázornují vybrané termíny); Zdroj: studie CHMÚ.

Obrázek 4: Prumerné rychlosti vetru behem roku v lokalite letiste v Ústí nad Labem (sipky znázornují vybrané termíny); Zdroj: studie CHMÚ.

Obrázek 5: Pocty dní s mlhou behem roku v lokalite letiste v Ústí nad Labem (sipky znázornují vybrané termíny); Zdroj: studie CHMÚ.

Stopovac

Výber nosice pro testy byl dalsí velmi dulezitou otázkou. Z analýz vyplynulo, ze lidskému telu bude pusobit nejváznejsí problémy nosic, který je velmi malý a muze do tela pronikat. Ideální velikost frakce dle vlivu na lidský organismus, bez ohledu na to, jakou látku nosic bude obsahovat, je velikost od 2 do 10 μm. Jedná se tedy o respirabilní frakci, kterou je clovek schopen vdechnout az do plicních sklípku. Tento nosic krome toho, ze musí být velmi malý, musí být navíc snadno dostupný, snadno detekovatelný a nesmí pri výbuchu menit frakci. Z tohoto duvodu byl pro testy vybrán mikromletý sklárský písek z lokality Strelec nebo práskový, mikromletý grafit. Z ekologických i praktických duvodu, jako je napr. opakování testu v krátkém sledu za sebou, byl zvolen mikromletý sklárský písek obsahujícího 99,9 % SiO₂ (CAS: 14808-60-7). Z hlediska mineralogicko – petrografického se jedná o písek vyrobeného z pískovce o prevazující frakci 0,1 az 0,6 mm.

Pro praktické overení spékavosti stopovace bylo za laboratorních podmínek provedeno zíhání peti náhodne vybraných vzorku kremenného písku. Pri stanovení podmínek zíhání bylo prihlédnuto ke skutecnosti, ze pri výbuchu by prípadne probíhalo suché slinování cistého kremene bez prítomnosti taveniny. Lze-li pocítat s pocátecní teplotou tání kremene kolem 1500 ^oC a s tím, ze slinování nastává priblizne pri 0,8 absolutní teploty tání kremene, byla stanovena teplota zíhání na 1200 ^oC. Pusobení tlaku se pri této zkousce neuvazovalo.

Zkoumané vzorky byly volne nasypány na podlozku a umísteny do zíhací pece. Vzorky byly zíhány pri stanovené teplote v casových intervalech 1 az 5 minut. Uvedený casový interval rádove prevysoval pusobení teplot pri výbuchu. Pri porovnání snímku pred a po zíhání je zrejmé, ze za atmosférického tlaku nemá teplota 1200 ^oC zádný vliv na zmenu cástic kremene. Nedocházelo k zádným pevným srustum mezi cásticemi a ani k patrným deformacím na povrchu cástic (viz obr. 6 a 7).

Obrázek 6: Detail jednotlivých zrn písku pred zíháním; Autor: Petr Dvorák.

Obrázek 7: Detail jednotlivých zrn písku po zíhání; Autor: Petr Dvorák.

Specifikace výbuchu

Provádené testy mely krome samotného uvádení jemne mletého kremene do vznosu a sledování jeho rozptylu v atmosfére také za cíl overit, zda má druh pouzité výbusné sloze vliv na následný prubeh rozptylu vzniklého oblaku. Pro tento úcel byly proto specificky vybrány vhodné trhaviny, které se lisily ve sledovaných parametrech, predevsím pak v detonacní rychlosti. Tato velicina totiz urcuje rychlost rozletu materiálu uvádeného do vznosu, coz muze mít v konecném dusledku vliv na tvar vzniklého oblaku. Dalsím parametrem, který bylo nutné pri výberu vhodné trhaviny také zohlednit, bylo výbuchové teplo. Pro minimalizaci vzniku aglomerátu je nutné, aby bylo co nejnizsí, tj. aby nedocházelo ke spékání cástic a vytvárení tak vetsích celku. Tato skutecnost by totiz výraznou merou ovlivnila prubeh testu, protoze by tak doslo ke znatelnému úbytku mnozství materiálu, který by se v podobe oblaku síril pres polygon, na kterém byly rozmísteny detekcní body. Jelikoz není snadné urcit mnozství, které by tímto nezádoucím procesem bylo vylouceno z rozptylu v atmosfére, potazmo hmotnost materiálu tvorícího vzniklý oblak, je zjevné, ze tento parametr je znacne dulezitý.

Výber výbusniny by mel zohlednovat také pozadavky na bezpecnost práce. Z tohoto ohledu jsou nejvhodnejsí zejména trhaviny s nizsí detonacní rychlostí a nizsím výbuchovým teplem. Vybrané charakteristiky nejpouzívanejsích prumyslových trhavin jsou uvedeny v tabulce 1.

Tabulka 1: Vybrané charakteristiky nejpouzívanejsích prumyslových trhavin.

Název trhaviny	Druh trhaviny a její konzistence	Hustota náloze (g/cm³)	Detonacní rychlost (m/s)	Výbuchové teplo (kJ/kg)
DAP 1A	povrchová sypká	0,95	3 000	3 768
PERMONEX V 19	skalní sypká	1,0	4 800	4 086
PERMON EXTRA 18	skalní sypká	1,35	3 900	2 931
PERUNIT 20	skalní plastická	1,48	5 600	4 668
DANUBIT 1	skalní plastická	1,45	5 000	4 396
DANUBIT GEOFEX	speciální plastická	1,55	6 400	4 459
SEMTEX 1A	speciální plastická	1,4	7 300	4 980
SEMTEX P 30	speciální tvrdé desky	1,3	2 500	1 591
SEMTEX 10	speciální plastická	1,4	7 200	5 030
SYNTHESIT V 18	dulne bezpecná sypká	1,05	3 800	3 349
HARMONIT	dulne bezpecná poloplastická	1,1	1 900	2 093
VESUVIT TN	speciální sypká	1,7	2 050	3 050

Po provedené analýze výse uvedených vlastností byly pro provádení testu vybrány trhaviny: SEMTEX 1A, Semtex P 30, Ostravit C a Permon 10.

Stanovení konstrukce výbusného systému

Pro základní pohled na sestavení náloze s ohledem na slinování je nutno zohlednit skutecnost s pusobením tlakového úcinku na malých vzdálenostech (do 10 polomeru náloze), který je zpusoben hlavne zplodinami výbuchu, ve vetsích vzdálenostech od náloze pak rázovou vlnou. Nutnost snízení tlakového efektu výbuchu na kremenný písek lze alespon z cásti resit zamezením vlastního kontaktu trhaviny s pískem. Vzdálenost písku od trhaviny muze být zajistena ruznými obaly (papírová krabice, karton, mekký plast apod.) nebo i sypkou látkou jako je napríklad chlorid sodný ve slabé vrstve. Pro úcely terénních testu byly vyuzívány prevázne kartony nebo polyethylen.

Celý výbusný systém byl tedy resen jako vrstevnatá náloz, kdy trhavina byla oddelena od kremenného písku prepázkou s tím, ze celý systém byl bez pevného obalu (viz obr. 8). Dulezitou soucástí systému je také dostatecne masivní, pevná podlozka, která umozní vyuzít maximum energie vzniklé pri explozi pro uvedení písku do vznosu. Pro tento úcel byla pouzita dvou az trívrstvá litinová podlozka (viz obr. 9), která pomerne dobre odolávala výbuchu pouzívaných nálozek (podle typu trhaviny byly pouzívány nálozky o hmotnostech 0,5 kg az 3 kg), ackoli se po výbuchu vzdy zdeformovala stredove centrovaným pruhybem (viz obr. 10).

Obrázek 8: Výbusný systém pripravený k explozi; Autor: Michaela Havlová.

Obrázek 9: Výbusný systém pred umístením kremenného písku; Autor: Michaela Havlová.

Obrázek 10: Epicentrum po provedeném výbuchu; Autor: Michaela Havlová.

Pokracování v prístím císle casopisu JOSRA.

TISKNOUT | POSLAT MAILEM

Výzkumný ústav bezpecnosti práce, v.v.i. - provozovatel portálu

Kontakty na redakci BOZPinfo.cz | Informace o portálu BOZPinfo.cz | Právní výhrada portálu BOZPinfo.cz
RSS kanál | Mapa webu