Современное состояние и подходы к разработке систем мониторинга загрязнения атмосферы

ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ И РАЦИОНАЛЬНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ

УДК 502.7:502.55

СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПОДХОДЫ К РАЗРАБОТКЕ СИСТЕМ МОНИТОРИНГА ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ

А. А. Г орюнкова

Дано понятие «экологический мониторинг», основные цели, задачи и структурная схема экологического мониторинга, приведены основные процедуры. Для осуществления мониторинга загрязнения атмосферы разработаны различные автоматизированные информационные системы, многие из которых используются различными экологическими службами и предприятиями. Приведен обзор наиболее известных автоматизированных систем экологического мониторинга, выявлены их достоинства и недостатки.

Ключевые слова: экологический мониторинг, загрязнение атмосферы, автоматизированная система, принятие решений.

Понятие мониторинга окружающей среды впервые было введено профессором Р. Манном на Стокгольмской конференции ООН по окружающей среде в 1972 г. и в настоящее время получило международное распространение и признание.

Мониторингом окружающей среды было предложено называть систему повторных наблюдений одного и более элементов окружающей природной среды в пространстве и во времени с определенными целями в соответствии с заранее подготовленной программой. Однако вскоре стало ясно, что такое определение сужает рамки содержания мониторинга и не позволяет во всей полноте раскрыть его цели и задачи.

Блок-схема мониторинга представлена на рис. 1.

Основные цели экологического мониторинга в обеспечении системы управления природоохранной деятельности своевременной и достоверной информацией, позволяющей:

оценить показатели состояния и функциональной целостности экосистем;

выявить причины изменения этих показателей и оценить последствия таких изменений, а также определить корректирующие меры в тех случаях, когда целевые показатели экологических условий не достигаются;

создать предпосылки для определения мер по исправлению создающихся негативных ситуаций до того, как будет нанесен ущерб.

Рис.1. Блок-схема системы мониторинга

В этой связи основными задачами экологического мониторинга являются:

наблюдение за источниками и факторами антропогенного воздействия, за состоянием природной среды и происходящими в ней процессами под влиянием факторов антропогенного воздействия;

оценка фактического состояния природной среды, прогноз изменения состояния природной среды под влиянием факторов антропогенного воздействия и оценка прогнозируемого состояния природной среды.

В общем виде структурная схема мониторинга показана на рис. 2.

Рис. 2. Структурная схема мониторинга

252

Из этой схемы следует, что её основными частями являются блок контроля (система пунктов получения информации) и блок управления (прогнозно-диагностический и управляющий центры), связанные между собой каналами передачи информации. Важными элементами структуры мониторинга являются: системы объектов мониторинга (почвы, воды, воздух и др.); системы производственных работ, составляющих производственную базу мониторинга (виды работ, которые используются при организации и проведении мониторинга); системы научно-методических разработок (разработка всего комплекса методик, используемых при планировании, организации и функционировании мониторинга, при проведении производственных работ, при анализе и оценке результатов наблюдений, при прогнозировании и выдаче управляющих решений; системы технического обеспечения (аппаратура для наблюдений и сбора первичной информации, датчики, индикаторы, технические средства, автотранспорт, лабораторное оборудование, компьютеры и средства связи и коммуникаций и др.).

Научные исследования в области охраны окружающей среды сейчас сориентированы на снижение возможных отрицательных последствий того или иного вида хозяйственной деятельности, направлены на разработку эффективных методов очистки газовых выбросов и сточных вод, на обоснование норм допустимых воздействий на природные экосистемы. Среди таких исследований особое место занимают исследования по созданию и применению систем мониторинга воздушной среды.

Для установления степени загрязнения атмосферного воздуха всеми примесями, выбрасываемыми существующими и намечаемыми к строительству и пуску источниками, а также характер изменения полей концентрации примесей по территории и во времени разрабатываются электронные карты загрязнения воздуха, построенные по результатам, полученных со стационарных постов наблюдений за состоянием атмосферы и систем экологического мониторинга.

Основные процедуры системы мониторинга загрязнения атмосферы:

выделение объекта наблюдения; обследование выделенного объекта наблюдения; составление информационной модели для объекта наблюдения; планирования измерений;

оценка состояния объекта наблюдения и идентификация его информационной модели;

прогнозирование изменения состояния объекта наблюдения; представление информации в удобной для использования форме и доведение ее до потребителя.

Экологическая информация поступает в центральный диспетчерский пункт, который осуществляет: сбор, анализ и хранение информации о трансграничном переносе примесей в атмосфере; прогнозирование перено-

са примесей на основе метеорологических данных; идентификацию районов выбросов и источников; регистрацию и расчет выпадений примесей из атмосферного воздуха на подстилающую поверхность и другие работы.

Для осуществления мониторинга загрязнения окружающей среды разработаны различные автоматизированные информационные системы. Многие из них используются различными экологическими службами и предприятиями.

В работе [1] описывается автоматизированная распределенная система экологического мониторинга окружающей среды модульного типа (АРСЭМ), которая позволяет повысить точность, объективность получаемых данных, исключить ошибки в расчетах и возможность несанкционированного доступа. Целью создания распределенной системы модульного типа является обеспечение надежного контроля за состоянием специального объекта, а также мониторинг состояния окружающей среды в районе его расположения, что позволит заблаговременно предупредить о возможном возникновении аварийных ситуаций, которым, как правило, предшествуют небольшие выбросы, утечки или испарения опасных веществ или продуктов их распада. В случае возникновения нештатных ситуаций информация о реальной обстановке позволит организовать действенные меры по устранению последствий и снизить их воздействие на население и окружающую среду. Такая система контроля может охватывать значительную территорию вокруг контролируемого объекта, но вся информация собирается в едином контрольном центре независимо от места нахождения объекта.

В работе [2] рассмотрена автоматизированная система экологического мониторинга, которая представляет собой совокупность объектов, расположенных на территории производственной площадки, санитарнозащитной зоны и зоны влияния предприятия, которые выполняют функции измерения, передачи и обработки технологических и экологических параметров и функционируют в единой информационно-вычислительной системе. Система обеспечивает автоматизированный сбор, обработку, хранение, передачу и анализ экологической информации, экологическое моделирование и прогнозирование и распределенную обработку данных.

В задачи автоматизированной системы экологического мониторинга входит оперативная оценка экологической обстановки на контролируемой территории на основе данных измерений, актуальных данных о параметрах стационарных и залповых выбросов загрязняющих веществ и результатов математического моделирования процессов переноса загрязнений в окружающей среде [3].

К недостаткам этих двух систем можно отнести локальные ограничения, т.е. система охватывает один или небольшую группу объектов, отсутствие возможности предоставления информации через глобальную сеть, а также отсутствие возможности выдачи рекомендаций при принятии управленческих решений, например, по снижению выбросов вредных ве-

ществ в атмосферу.

Существует автоматизированная система наблюдений и контроля окружающей среды (АНКОС-АГ), которая предназначена для автоматизированного сбора, обработки и передачи информации об уровне загрязнения атмосферного воздуха. Система позволяет непрерывно получать информацию о концентрации примесей и метеорологических параметрах в населенных пунктах или около крупных промышленных предприятий. Технические возможности регистрации, передачи, хранения и обработки данных о загрязнении атмосферного воздуха позволили разработать основные принципы функционирования автоматизированных систем наблюдения за состоянием атмосферного воздуха [4].

Ведутся разработки и в области мобильных и малогабаритных автоматизированных состем экологического мониторинга.

Система контроля атмосферы СКАТ-1 предназначена для непрерывного автоматического контроля двуокиси углерода СО2 и влажности в атмосфере производственных помещений, а также контроль ПДК рабочей зоны по СО2 . Система СКАТ-1 позволяет обеспечить автоматическую регулировку технологического процесса подачи углекислого газа с помощью переключающихся контактов реле порогов срабатывания «мало» и «много» (включение и отключение газогенераторов, регулирование заслонок подачи топочных газов котельной) и т.д. С помощью пульта контроля можно проводить калибровку датчиков без демонтажа. В состав системы входит от одного до четырех датчиков СО2 и влаги [5].

Автоматический пост экологического контроля (АПЭК) атмосферного воздуха предназначен для проведения непрерывного автоматического измерения массовой концентрации загрязняющих веществ в атмосферном воздухе и контроля метеорологических параметров. Учитывая его габариты, массу и функциональные возможности, АПЭК может использоваться как передвижное средство для проведения регулярных маршрутных экологических исследований атмосферного воздуха, а также для проведения оперативных измерений загрязнения окружающей среды при аварийных и нештатных ситуациях на полигонах, промышленных площадках, в населенных пунктах [6].

Передвижная лаборатория «АТМОСФЕРА-2» предназначена для осуществления контроля за загрязнением воздуха, измерения метеорологических параметров: атмосферного давления, скорости и направления ветра, температуры и относительной влажности воздуха, а так же экспрессной оценки загрязнения вод и почвы. Лаборатория передвижная «АТМОСФЕРА-2» используется в системе гидрометслужб, организациями, осуществляющими контроль за загрязнением атмосферы, воды, почвы. А так же службами МЧС, Мин. обороны. СЭН, Мин. природы. Мин. экологии России, службами геологоразведки и охраны окружающей среды.

Мобильные лаборатории для мониторинга атмосферы городов,

сельской местности, промышленных зон монтируются на базе легковых и грузовых автомобилей, прицепов с воздушными кондиционированием всех рабочих отсеков автомобиля. Внутри автомобиля (прицепа) крепятся стойки с необходимыми селективными анализаторами (Б02, К0-Ы02 -№Ох, СО, СО2, О2, О3, углеводородов, летучей органики, Н2Б , меркаптанов, КН3, пыли) и компьютеризированной системой сбора и обработки информации [6].

Еще одной известной системой является автоматизированная система контроля пылегазоочистных установок «АСК ПГУ». Система применяется на предприятиях цветной и черной металлургии, а также любых производствах с вредными выбросами газов и пыли в атмосферу.

К достоинствам системы относятся: комплексный автоматический контроль и управление параметрами пылегазоочистных установок; использование для контроля основных параметров пылегазоочистных установок высоконадежных и имеющих европейскую сертификацию импортных приборов ведущих зарубежных фирм мира, таких как «Байер Диагностик», «ЗИК» и других; оптимальное сочетание импортного и отечественного оборудования, позволяющее значительно снизить валютные затраты; применение энергонезависимых запоминающих устройств, позволяющих сохранять информацию в течение 72-х часов при отключении питающей сети.

Система контроля атмосферы промышленных объектов (СКАПО). Многоканальная газоаналитическая система СКАПО (рис. 3), предназначенная для непрерывного автоматического контроля концентраций токсичных, взрывоопасных газов и кислорода сигнализации о превышении заданных порогов, а также управления исполнительными устройствами (системы вентиляции, звуковые и световые сигнализации). Универсальность и гибкость в конфигурации системы позволяет эффективно и экономично решать вопросы комплексного контроля в рабочей зоне ПДК токсичных (СО2, СО, БО2, С12, КН3, Н2Б), ДВК взрывоопасных (СН4, С3Н8) газов и кислорода (О2). Структура системы позволяет контролировать степень загазованности как непосредственно на объектах, так и в операторной и на персональной ЭВМ.

Рис. 3. Структура системы СКАПО

256

Достоинства системы: структура системы позволяет заменить практически весь парк существующих на производстве стационарных газоаналитических приборов и контролировать на производстве до 256 потенциально опасных точек; контролируемый объект может быть расположен на расстоянии до 3000 метров от блока сигнализации и управления. При создании системы контроля максимальное удаление объекта до 65 километров; широкий спектр контролируемых газов обеспечивается возможностью комплектования системы датчиками с различными принципами действия, в том числе оптико-абсорбционными и термомагнитным; все датчики собственного изготовления и имеют единый конструктив, что позволяет значительно упростить монтаж и эксплуатацию системы; возможность архивирования информации о состоянии объектов и имевших место аварийных ситуациях позволяет контролировать и протоколировать состояние загазованности; наличие энергонезависимой памяти дает возможность сохранять информацию при отключении сетевого питания.

К недостаткам системы можно отнести то, что система предоставляет информацию о точечных замерах, зоны влияния не строятся, система применяется на определенном предприятия, и ее нельзя использовать на региональном уровне.

Система «ЕсоМопйог» предназначена для автоматизации непрерывного мониторинга выхлопных газов, производимых нагревательными котлами и промышленными топками в деревообрабатывающей и бумажной промышленности разработана удобная, легко конфигурируемая клиент-серверная система, на базе встраиваемых плат сбора данных, модулей согласования сигналов, работающая под управлением LabV1EW [7]. Задача системы заключается в сборе, передаче, обработке, архивации и отображении требуемых параметров.

Автоматизированная система контроля за экологическим состоянием воздушного бассейна «ИнтерАналит» представляет собой полностью автоматизированную, автономную система для контроля концентраций основных загрязнителей (СО, К0-Ы02-Ы0х, Б02, И23, углеводороды, запыленность и др.) в воздухе жилой и промышленной зон на базе стационарных постов, укомплектованных газовыми анализаторами. Посты снабжены системами связи с центральной диспетчерской для сбора данных и управления работой приборов, автономным питанием, сигнализацией о несанкционированном доступе. Система обеспечена полной технической поддержкой, гарантией и обучением [8]. К недостаткам автоматизированной системы контроля за экологическим состоянием воздушного бассейна «ИнтерАналит»можно отнести отсутствие возможности предоставления информации через глобальную сеть, а также отсутствие возможности выдачи рекомендаций по снижению выбросов вредных веществ в атмосферу.

В настоящий момент существует несколько десятков автоматизиро-

ванных систем моделирования распространения вредных веществ в атмосфере, а также систем мониторинга атмосферного воздуха. Многие из существующих систем используются различными экологическими службами и предприятиями.

Одной из самых распространенных систем является система «Эколог-город» 3.0. Согласно [9] система «Эколог-город» разработана для автоматизации деятельности комитетов охраны окружающей среды Госкомэкологии РФ и экологических служб администраций городов (регионов), проведения сводных расчетов загрязнения атмосферы городов. Результаты сводных расчетов загрязнения атмосферы могут быть использованы в целях нормирования выбросов загрязняющих веществ и для решения других задач. Система состоит из программы автоматического приема информации о параметрах источников выброса предприятий по подготовленным в едином формате данным; программы ведения обобщенного городского банка данных по источникам выбросов; программы «Магистраль», позволяющая производить расчет выбросов загрязняющих веществ автотранспортными потоками при движении автомобилей по городским магистралям; программы расчета концентраций вредных веществ в атмосфере; программы отображения результатов на электронной карте города - «Экологическая карта».

К недостаткам системы относятся: в существующей реализации нет возможности определения допустимых вкладов в загрязнение атмосферы выбросов загрязняющих веществ предприятиями; не предусмотрен модуль, с помощью которого производится сбор экологической информации. Все данные для статистической обработки поступают в систему с помощью сторонних средств или стационарных постов, что ведет к задержке поступления данных.

В качестве альтернативы системы «Эколог-город» многие организации используют систему «АТМОСФЕРА-ПДВ». Комплекс позволяет провести инвентаризацию выбросов на предприятиях; произвести расчеты приземных концентраций загрязняющих веществ в соответствии с [10]; произвести расчет ПДВ (ВСВ) в соответствии с методикой; рассчитать валовые выбросы (г/сек и т/год) от источников выделения по реализованным фирмой или самим пользователем методикам расчетов. Программа расчета приземных концентраций вредных веществ в атмосфере позволяет проводить расчеты разовых концентраций загрязняющих веществ, выбрасываемых точечными, линейными, плоскостными источниками. Рассчитываются приземные концентрации, как отдельных веществ, так и

групп веществ, обладающих эффектом суммации вредного воздействия.

Недостатки данной системы аналогичны недостаткам системы «Эколог-город».

Проанализировав указанные и другие системы, были сделаны выводы о том, что основными функциями этих систем являются: выполнение

круглосуточных автоматических измерений метеорологических параметров атмосферы и концентраций загрязняющих веществ в атмосферном воздухе; передач результатов измерений в Центр мониторинга (сервер); оценка экологической ситуации в контролируемых районах в режиме реального времени; прогнозирование динамики загрязнений в зависимости от метеорологических параметров атмосферы; создание архивов экологических данных; выявление источников выбросов в атмосферу.

Общими недостатками этих систем является то, что в них [11]:

отсутствует обеспечение информационно-справочными материалами,

отсутствуют возможность предоставления информации через глобальную сеть, создания поисковых запросов, т.е. удовлетворение пользовательских запросов на получение конкретных данных и формы их представления;

система предоставляет информацию о точечных замерах, зоны влияния различных источников загрязнения не строятся;

отсутствует возможность выдачи рекомендаций при принятии управленческих решений, например, по снижению выбросов вредных веществ в атмосферу.

В связи с этим предлагается усовершенствовать информационноизмерительную и управляющую систему экологического мониторинга, задачами которой станут: хранение и поиск режимной информации о состоянии окружающей среды; целенаправленная постоянная обработка и оценка информации; выполнение перманентных прогнозов развития и состояния окружающей среды; решение оптимизационных задач по принятию управленческих решений.

Материалы подготовлены в рамках гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых -кандидатов наук и докторов наук (Конкурс 2013-2014 годов).

Список литературы

1. Бурман В.М., Кропотов Ю.А. Автоматизированная распределенная система экологического мониторинга окружающей среды модульного типа// Известия ОрелГТУ. Серия «Информационные системы и технологии». 2008. № 1-2/269(544). С. 53-57.

2. Кропотов Ю.А., Суворова Г.П. Марковские модели в автоматизированной системе мониторинга и прогнозирования экологического состояния промышленной зоны// Известия ОрелГТУ. Серия «Информационные системы и технологии». 2008. № 1-3/269(544). С. 113-118.

3. Суворова Г.П. Автоматизированная система экологического контроля предприятия [Текст] / Г.П. Суворова // Методы и устройства передачи и обработки информации : межвуз. сб. научн.тр. Вып. 4 / под ред.

В.В. Ромашова, В.В. Булкина. СПб.: Гидрометеоиздат, 2004. С. 347.

4. Егоров А.Ф. Методы идентификации мгновенных аварийных источников загрязнения атмосферного воздуха / Егоров А.Ф., Савицкая Т.В., Дударов С.П. // Химическая технология, 2002, №10. С. 41-46.

5. Системы контроля атмосферы СКАТ-1// http://www.analit-sv.ru/katalog/dw8yv42m.html (дата обращения: 23.08.2013).

6. Бизикин А.В. Безопасность и риск при техногенных воздействиях: монография. / В.М. Панарин [и др.], Тула: Из-во ТулГУ, 2006. 164 с.

7. Донченко В.К. Экометрия: системно-аналитический метод эколо-го-экономической оценки и прогнозирования потенциальной опасности техногенных воздействий на природную среду / Донченко В.К. // Инженерная экология. 1996. № 3. С.45-61.

8. Автоматизированная система контроля за экологическим состоянием воздушного бассейна «ИнтерАналит»// http://www.analyt.ru/catalog /element.php?ID=903 (дата обращения: 15.08.2013).

9. Бизикин А.В. Принципы построения автоматизированной системы экологического мониторинга при выбросах вредных веществ/ А.В. Би-зикин [и др.] // Экологически устойчивое развитие центрального федерального округа: докл. науч.-практ. Форума / под общ. ред. д.т.н., проф.

B.М. Панарина, Тула:Изд-во ТулГУ, 2008. С. 173-182.

10. Комплекс программ для автоматизации атмосфероохранной деятельности "АТМОСФЕРА-ЦДВ"// http://logosoft.ru/prog/eco atm _about.htm (дата обращения: 15.08.2013).

11. Автоматизированная система сбора и анализа экологической информации о загрязнении атмосферного воздуха/ А.А. Горюнкова [и др.]// Вестник компьютерных и информационных технологий. 2013. № 1.

C. 9-11.

Горюнкова Анна Александровна, канд. техн. наук, доц., annazuykova@rambler. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

CURRENT STATUS AND APPROACHES TO DEVELOPMENT ATMOSPHERIC

POLLUTION MONITORING

A.A. Goryunkova

Given the concept of "environmental monitoring", main goals, objectives and structural diagram of environmental monitoring are the main treatments. For the implementation of air pollution monitoring developed various thanes of automated information systems, many of which are used by various environmental agencies and enterprises. An overview of the most famous of automated systems for environmental monitoring, identified their strengths and weaknesses.

Key words: environmental monitoring, atmospheric pollution, the automated system, decision-making.

Goryunkova Anna Alexandrovna, candidate of technical science, docent, anna_zuykova@rambler.ru, Russia, Tula, Tula State University