Мобильные аналитические мониторинговые комплексы на железнодорожном транспорте

Мобильные аналитические мониторинговые комплексы на железнодорожном транспорте

В. В. Дроздов,

к. геогр. н., доцент кафедры экологии и биоресурсов ФГБОУ ВО «Российский государственный гидрометеорологический университет»

А. В. Косенко,

преподаватель кафедры организации повседневной деятельности и безопасности военной службы Военного института Железнодорожных войск и военных сообщений Военной академии материально-технического обеспечения им. генерала армии А. В. Хрулева

Для обеспечения ведомственного экологического мониторинга в ОАО «РЖД» используют поезда-лаборатории. Техническое оснащение аналитических мониторинговых комплексов позволяет их применение в интересах различных ведомств.

Государственный экологический мониторинг — комплексные наблюдения за состоянием окружающей среды, в частности компонентов природной среды, естественных экологических систем, оценка и прогноз происходящих изменений. Контроль в области охраны окружающей среды (экологический контроль) — система мер, направленная на предотвращение, выявление и пресечение нарушения законодательства в указанной области, обеспечение соблюдения юридическими лицами и индивидуальными предпринимателями требований, в частности, нормативов и нормативных документов, федеральных норм и правил [1].

Загрязнение атмосферного воздуха относится к наиболее опасным видам загрязнения окружающей среды, так как загрязняющие вещества с токсичными свойствами способны в данном случае распространиться от источника их образования быстрее и на большие расстояния, чем при попадании в водную среду или в почву. В пределах городов и промышленных зон имеются стационарные посты и передвижные автомобильные лаборатории, обеспечивающие государственный и производственный экологический мониторинг и контроль качества атмосферного воздуха. Учитывая значительную пространственную протяженность промышленных центров нашей страны, освоение удаленных районов Севера и Дальнего Востока, а также быстрое распространение некоторых загрязняющих веществ в воздушной среде нужны результаты не только локальных и региональных измерений, но и трансграничных. Такие данные получают с помощью мониторинговых систем, установленных в вагонах-лабораториях поездов.

Цель работы — анализ практических результатов, полученных при использовании

мобильных аналитических мониторинговых комплексов на железнодорожном транспорте в нашей стране, и разработка предложений их дальнейшего применения для экологического мониторинга и контроля и решения специальных задач.

Опыт применения мобильных аналитических мониторинговых комплексов на железнодорожном транспорте

В 1995 г. ученые Института физики атмосферы РАН при поддержке нобелевского лауреата, директора Института химии им. Отто Гана Общества научных исследований им. Макса Планка Пауля Крутцена создали передвижную лабораторию в вагоне обычного пассажирского поезда и стали проводить комплексные наблюдения содержания различных газов в атмосфере на пути его следования. Всего за девять месяцев была подготовлена первая экспедиция, которая отправилась через всю страну во Владивосток [3-8].

В 2003 г. по техническому заданию, разработанному Институтом физики атмосферы им. А. М. Обухова РАН, Всероссийским институтом железнодорожного транспорта Министерства путей сообщения и Всероссийским научно-исследовательским институтом метрологии им. Д. И. Менделеева, на Торжокском вагоностроительном заводе был изготовлен передвижной аналитический комплекс из двух специализированных вагонов для наблюдений загрязнения атмосферы. Был создан уникальный российский поезд-лаборатория TROICA (Transcontinental Observations Into the Chemistry of the Atmosphere — трансконтинентальные данные наблюдений химии атмосферы), который осуществил несколько трансконтинентальных маршрутов в пределах нашей страны, выполняя наблюдения за химическим составом атмосферы [3-8].

Рис. 1. Поезд-лаборатория TROICA [9, 10]: а - общий вид; б - вагон-носитель автомобиля «УАЗ»; в - лабораторное помещение

Рис. 2. Результаты непрерывных наблюдений содержания угарного газа, углекислого газа и метана вдоль трассы следования поезда-лаборатории в период экспедиции TROICA-7 от Москвы до Хабаровска в 2001 г. [10]

Один вагон поезда представлял собой обсерваторию для наблюдения за метеорологическими параметрами, где находились приборы — измерители концентраций веществ-загрязнителей, включая аэрозоли, а также измерители озона в воздухе. В другом вагоне — химической лаборатории — во время движения анализировали пробы воздуха, воды, почвы, растительности. Лаборатория оснащалась автомобилем (рис. 1), и район исследований можно было расширить.

Приведем основные маршруты лаборатории TROICA: Калининград-Москва-Владивосток (Транссиб); Ка-лининград-Москва-Комсомольск-на-Амуре-Ванино (БАМ); Мурманск-Москва-Кисловодск; Воркута-Нижний Новгород-Волгоград-Махачкала; Новый Уренгой-Екатеринбург-Астрахань. В конце октября 2009 г. завершилась тринадцатая экспедиция, которая проходила по Рязанской и Тульской областям, а затем по Транссибирской магистрали от Москвы до Владивостока и обратно.

В выполнении исследовательских проектов TROICA участвовали ученые и техники Института физики атмосферы им. А. М. Обухова, Научно-исследовательского физико-химического института им. Л. Я. Карпова, Всероссийского научно-исследовательского института железнодорожного транспорта, Института химии Макса Планка и других организаций России, Германии, Финляндии и Австрии [3-8].

Отличительная особенность данной лаборатории — возможность не только следить за высокими концентрациями тех или иных веществ в определенном месте, но и фиксировать малые колебания концентрации на фоновом уровне. Химический, элементный и изотопный анализы позволяют проследить распределение примесей и вклад антропогенных и природных источников в загрязнение атмосферы, оценить эмиссии парниковых газов: метана, оксида и диоксида углерода, закиси азота. Приборы дистанционного контроля дают возможность оценивать выбросы промышленных источников, расположенных в приземном слое на расстоянии пяти-восьми километров от железной дороги. Через каждые 10 или 60 с измерялось до 50 параметров, полученные данные поступали в единую базу. Были созданы трехмерные фотохимические и транспортные модели, позволяющие интерполировать данные наблюдений на всю территорию, которую пересекает железная дорога, оценить состояние и состав атмосферы, выявить источники загрязненных воздушных масс и их химическую трансформацию во время движения [7-9].

Тринадцатая экспедиция TROICA бьиа оснащена единой автоматизированной информационной системой. Приборы-анализаторы передавали данные мониторинга на единый сервер, часть данных через спутниковую систему оперативно поступала в Москву, в частности в МЧС России.

Объемы естественных источников поступления парниковых газов (метана и углекислого газа) на территории Западной Сибири из болотных массивов очень велики, поэтому одна из важнейших задач мониторинга — определить соотношение между естественными и антропогенными источниками парниковых или токсичных газов. Наблюдения в поезде дают возможность, прорезая шлейф от какого-то природного или антропогенного источника (от локального предприятия, от города или даже от выноса загрязненного воздуха, который распространяется на несколько

сотен километров), оценить количество выброшенного вещества.

Во время экспедиции TROICA-7 в 2001 г. были зарегистрированы повышенные значения концентрации метана, угарного и углекислого газа, оксида азота в ряде районов (рис. 2,3). Было установлено, что радиус действия антропогенных городских источников загрязнения атмосферы может составлять 100 км и более. В ходе экспедиций по программе TROICA выяснилось, что наиболее загрязнены Европейская территория страны и Хабаровский край. В зимний период наиболее высокие концентрации оксида азота отмечены в Сибири. Экстремально высокие значения зарегистрированы на железнодорожных станциях и в промышленных зонах.

Современные проекты обеспечения экологической безопасности в ОАО «РЖД»

Железнодорожный транспорт представляет собой один из наиболее экологически чистых видов транспорта. Согласно ст. 67 закона «Об охране окружающей среды» № 7 ФЗ от 10.01.2002 [1] на предприятиях должен осуществляться производственный контроль выброса загрязняющих веществ в атмосферный воздух, сброса вредных веществ в водоемы, образования токсичных отходов на предприятиях железнодорожного транспорта. Дальнейшая электрификация железных дорог, т. е. замена тепловозов электровозами, позволит исключить загрязнение воздуха отработавшими газами дизельных двигателей.

В рамках соблюдения экологической безопасности в ОАО «РЖД» осуществляется ряд проектов и программ, в частности с использованием аналитических мониторинговых комплексов на железнодорожном транспорте [11].

В 2012 г., когда российским железным дорогам исполнилось 175 лет, ОАО «РЖД» в г. Ярославле построен «Экологический центр». Его основные функции — обучение сотрудников компании новейшим методам и технологиям обеспечения экологической безопасности на железнодорожном транспорте, а также связи с общественностью, проведение конференций и семинаров.

В 2016 г. центрами охраны окружающей среды железных дорог производственный экологический контроль над выбросами и сбросами загрязняющих веществ в атмосферу, водные объекты и загрязнением почв осуществлялся [11]:

Рис. 3. Результаты непрерывных наблюдений за содержанием оксида азота вдоль трассы следования поезда-лаборатории в период экспедиции TROICA-7 в районе г. Тюмень в 2001 г. [10]

• от стационарных объектов — 56 экологическими лабораториями, а также 12 вагонами-лабораториями с бортовым комплексом аналитического оборудования и 53 лабораториями на автомобильном ходу;

• от передвижных источников (тепловозов) — 114 пунктами экологического контроля; все тепловозы после ремонта двигателей проходили обязательное тестирование на указанных пунктах по экологическим показателям.

В передвижном вагоне-лаборатории имеется следующее оборудование: химическая лаборатория с приборами, позволяющими осуществлять отбор проб и анализ промышленных выбросов и сбросов. Кроме того, там находятся купе для проводников и семи сотрудников, подсобные помещения.

За девять месяцев 2016 г. экологическими лабораториями железных дорог выполнено более 200 анализов по воздуху, сбрасываемым стокам, почвам, 3000 анализов по выбросам от автотранспорта и 41000 других анализов, проведена инвентаризация 9200 источников выбросов и сбросов вредных веществ, разработана нормативная экологическая документация (176 томов), продлено 901 разрешение на выбросы, сбросы вредных веществ и размещение отходов [11]. В ОАО «РЖД» принята Экологическая стратегия на период до 2030 г.

Перспективные направления использования мобильных аналитических мониторинговых комплексов

Экологический мониторинг на железнодорожном транспорте осуществляется:

• производственными экологическими лабораториями (отделенческими);

• передвижными экологическими лабораториями (экологическими вагонами-лабораториями и лабораториями на автомобильном ходу).

• пунктами экологического контроля (ПЭК) тепловозов и путевой техники.

Очевидно, что практический опыт, полученный при проведении межрегиональных мониторинговых исследований качества атмосферного воздуха в рамках проекта поезда-лаборатории TROICA с середины 90-х годов XX века [3-10], должен быть тщательно проанализирован и использован для дальнейшего совершенствования подобной техники. На рис. 4 представлена обобщенная схема возможностей использования мобиль-

ных аналитических мониторинговых комплексов на железнодорожном транспорте. Следует учитывать, что хорошо оснащенные экологические лаборатории для анализа широкого спектра загрязняющих веществ в воздухе и воде имеются далеко не во всех районах нашей страны, особенно в районах Севера и Дальнего Востока. Один из способов решения этой проблемы — лаборатории, размещенные на передвижных средствах: поездах и автомобилях (в частности, на автомобилях, находящихся в специализированных поездах). Кроме того, целесообразен и технически осуществим проект создания беспилотного авиационного железнодорожного мониторингового комплекса (БАМЖК). Базой для него может стать стандартная железнодорожная платформа, переоборудованная под взлетно-посадочную площадку. Включение в состав поезда-лаборатории БАМЖК вертолетного типа даст возможность осуществлять:

• разведку погоды на пути следования поезда-лаборатории, определение условий в атмосфере, способствующих (инверсий температуры) распространению загрязняющих веществ или ослабляющих его;

• фото- и видеосъемку зон чрезвычайных ситуаций, определение источников выбросов загрязняющих веществ;

• специальные исследования в отношении радиационной и химической разведки территорий по ходу движения поезда в мирное и военное время.

В составе мобильных аналитических мониторинговых комплексов на железно-

дорожном транспорте кроме вагона-лаборатории; жилого вагона для персонала, вагона со вспомогательным оборудованием общего назначения должны быть центр связи и навигации,обеспечивающий доступ к спутниковой связи, а также эколого-информационная аналитическая система (ЭИАС), предназначенная для обработки, статистического анализа и каталогизации собираемых данных. Представляется перспективным создание специализированного программного обеспечения нового поколения, обеспечивающего построение математических моделей распределения загрязняющих веществ и их трехмерную визуализацию, а также прогнозирование развития ситуации. В этом отношении имеется значительный задел [3-10].

Для объединения в ЭИАС традиционных аналитических методов обработки информации (методов вариационного исчисления, статистического анализа, имитационного моделирования и др.) с методами теории искусственного интеллекта нужно решить ряд научных и инженерных проблем. Результатом такой интеграции должно стать создание нового класса гибридных математических моделей, обеспечивающих эффективное решение широкого круга задач в области экологической безопасности.

Учитывая сложность химического анализа в условиях экспедиции, часть собранных проб воздуха и воды необходимо консервировать и доставлять в отделенческую лабораторию, аналитическое оборудование которой дополняет приборную базу передвижного аналитического

мониторингового комплекса и расширяет его функциональные возможности.

Таким образом, при использовании сети железных дорог для комплексных мониторинговых работ на значительной пространственной протяженности появляется возможность проводить уникальные непрерывные трансрегиональные наблюдения по качеству атмосферного воздуха в широтном и меридиональном направлении. Наблюдения можно осуществлять с регулируемой скоростью и дискретностью измерений. Для удаленных районов нашей страны, в частности Арктики и Субарктики, наиболее подходит именно железнодорожный транспорт, где удобно размещать сложное аналитическое оборудование и выполнять его обслуживание. Автомобильный транспорт приемлем для этих целей в центральных районах Европейской части страны, имеющих развитую дорожную сеть.

Применение мобильных аналитических мониторинговых комплексов в поездах, совершающих регулярные рейсы по маршрутам вдоль западной, южной и юго-восточной границ России, обеспечит выявление трансграничного загрязнения атмосферы с территории соседних государств, что позволит определить потенциальный ущерб для наших экосистем.

Результаты двадцатилетней работы поезда-лаборатории в рамках проекта TROICA в нашей стране, уникальные по ряду параметров, заслуживают высокой оценки. Полученный опыт требует всестороннего изучения и должен стать основой для новых аналитических мониторинговых комплексов на железнодорожном транспорте, создаваемых в ОАО «РЖД». Кроме того, поезда-лаборатории можно применять и в железнодорожных войсках РФ для решения специальных задач.

Литература

1. Законы Российской Федерации. Систематическое собрание действующего законодательства. Федеральный закон «Об охране окружающей среды» от 10.01.2002 № 7-ФЗ (ред. от 31.12.2017). - URL: https://fzakon.ru/ laws/federalnyy-zakon-ot-10.01.2002-n-7- fz/?yclid=15 58297186000718689.

2. Журнал «Вокруг света». - URL: http://www.vokrugsveta.ru/telegraph/ theory/105 5.

3. Беликов И. Б., Бреннинкмаер К. А., Еланский Н. Ф. и др. Поверхностная концентрация метана и оксидов углерода над континентальной территорией России по результатам эксперимента TROICA // Изв. Рос. акад. наук. Серия «Физика атмосферы и океана». 2006. Т. 42. № 1. С. 52-63.

4. Голицын Г. С., Еланский Н. Ф., Маркова Т. А. и др. Режим приземного озона над континентальными районами России // Глобальные изменения климата и их последствия для России / ред. Г. С. Голицын, Ю. А. Израэль. - М., 2002. С. 195-211.

5. Гуда А. Н., Финоченко В. А., Вереме-енко Б. А. Экспертная система экологического мониторинга железнодорожного транспорта // Вестн. Рост. гос. ин-та путей сообщения. 2012. № 1(45). С. 96-101.

6. Еланский Н. Ф., Голицын Г. С., Власен-ко Т. С. и др. Летучие органические соединения в приземном воздухе по наблюдениям вдоль Транссибирской железнодорожной магистрали // Докл. Акад. наук. 2000. Т. 373. № 6. С. 816-821.

7. Еланский Н. Ф., Лаврова О. В., Мохов И. И. и др. Структура острова тепла над городами России по наблюдениям с передвижной лаборатории // Докл. Акад. наук. 2012. Т. 443. № 3. С. 366-371.

8. Панкратова Н. В., Еланкий Н. Ф., Беликова И. Б. и др. Озон и окислы азота в приземном воздухе Северной Евразии по наблюдениям в экспериментах TROICA // Изв. Рос. акад. наук. Серия «Физика атмосферы и океана». 2011. Т. 47. № 3. С. 313-328.

9. Финоченко В. А., Финоченко Т. А. Технологии экологического мониторинга на российских железных дорогах // Безопасн. жизнедеят. 2014. № 9 (165). С. 20-24.

10. Official site. Global Methane Initiative. - URL: https://globalmethane.org/doc-uments/events_oilgas_20050914_elan-skiy-methane.pdf.

11. Официальный сайт. ОАО «Российские железные дороги». Инновационный дайджест. - URL: http://www.rzd-expo. ru/innovation/environmental_protection/ industrial_environmental_control.

МОНИТОРИНГОВЫЕ КОМПЛЕКСЫ НА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОМ ТРАНСПОРТЕ

О

1. Мониторинговые региональные измерения концентраций загрязняющих веществ в воздухе в воде

О

3. Мониторинговые трансграничные измерения концентраций загрязняющих веществ в воздухе в воде

2.Наблюдения в особых районах в мирное и военное время по специальной программе

ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ НАЗНАЧЕНИЕ

О

1. Измерение концентраций токсичных веществ в воздухе и воде промышленного происхождения в пределах одного региона

О

3.Измерение концентраций токсичных веществ в воздухе и воде промышленного происхождения в пределах нескольких смежных регионов

2. Радиационная и химическая разведка объектов вдоль железнодорожных путей

ПРИМЕНЯЕМЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИИ

О

О

о

1. Встроенные системы анализа метеорологической обстановки, автоматизированные системы отбора проб воздуха, анализаторы концентраций Б02, М0«:С02,С0,02,03,

СН41МН3 и других газов. Гидрохимические анализаторы-

иономеры для оперативного анализа загрязненности водоемов и водотоков на пути следования.

2.Встроенные системы анализа радиационной обстановки и наличия особо-опасных токсичных веществ. Базирование беспилотных летательных аппаратов для дистанционного контроля.

3. Встроенные системы анализа метеорологической обстановки, автоматизированные системы отбора проб воздуха, анализаторы концентраций SOiNOi.COsCO.OiO3.

СН^ N4., и других газов. Гидрохимические анализаторы-

иономеры для оперативного анализа загрязненности водоемов и водотоков на пути следования. Встроенная система спутниковой навигации, информационно-аналитическая система,система передачи данных в центр управления.

Рис. 4. Обобщенная схема возможностей использования мобильных аналитических мониторинговых комплексов на железнодорожном транспорте