Особенности гидрофизического мониторинга шельфовых зон Арктического бассейна

Раздел II. Методы и средства экологического мониторинга водных районов

А.В. Митько

ОСОБЕННОСТИ ГИДРОФИЗИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ШЕЛЬФОВЫХ ЗОН АРКТИЧЕСКОГО БАССЕЙНА

Увеличение числа аварий и катастроф с локальными и глобальными последствиями, техногенное воздействие на окружающую среду за счёт трансграничного переноса обусловливает целесообразность разработки программы экологического оздоровления Северо-Западного федерального округа (СЗФО), включающей в себя создание Центра экологической безопасности, формирование подсистем мониторинга, прогнозирования, предотвращения, ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера. Система должна также включать в себя специальные силы и средства, учебно-тренировочные центры, банки и страховые компании.

Подсистема мониторинга имеет ряд особенностей в данном регионе применительно к акваториям шельфовых зон Арктического бассейна. Они связаны как с физико-географическими характеристиками регионов, так и с большой насыщенностью объектами техногенного происхождения, представляющими потенциальную опасность с экологической точки зрения для государств Северного и СевероЗападного регионов. Это требует разработки базы данных по местам размещения и условиям функционирования этих объектов, удовлетворяющей требованиям предупреждения о потенциально существующих угрозах возникновения чрезвычайных ситуаций. Очевидной является комплексность создаваемой системы как с точки зрения объединения информационных потоков различной физической природы, так и с точки зрения иерархичности её построения от локальных до глобальных масштабов на основе имеемых в этой части разработок в организациях Санкт-Петербурга. Важнейшим на сегодня является также условие её интеграции в международные системы и реализации международных проектов совместно с аналогичными структурами стран Арктики.

Проблемы экологической безопасности являются одним из основных направлений деятельности Санкт-Петербургского Отделения секции геополитики и безопасности Российской академии естественных наук и Арктической академии наук, объединяющих в своём составе учёных и специалистов практически всех областей деятельности в данном направлении. Представленные соображения, включая предложения по сотрудничеству с заинтересованными организациями СевероЗападного региона России и зарубежными государствами, позволяют определить круг вопросов, представляющих предмет обсуждения. Предложения по организации такого Центра, задачам, решаемым системой мониторинга окружающей среды, принципам построения системы, комплексирования информации при распознавании типов чрезвычайных ситуаций (ЧС) содержатся в представленных проектах аппарату Полномочного представителя Президента РФ в СЗФО.

Системы мониторинга окружающей среды включают различные уровни реализации от объектового и территориального до регионального и федерального,

при этом природной сферой взаимных с Северными странами интересов является морская среда Балтийского и Баренцева морей. В этой среде существуют специфические проблемы подводного мониторинга, первой из которых является выявление, распознавание и оценка степени опасности объектов, находящихся на поверхности, в водной толще, на грунте и в его верхних слоях.

Первым этапом и соответствующей проблемой, требующей совместных усилий по её решению, является разработка электронной базы данных по координатам объектов, их характеристикам и окружающим условиям. В Баренцевом и Карском морях это относится прежде всего к захоронениям контейнеров с жидкими радиоактивными отходами, уточнению их местоположения, состояния, направления течений и иных способов переноса загрязнений в другие регионы, оценке вероятности и уровней этих загрязнений. Одним из предложений является разработка метода и реализующей его структуры по контролю за такими объектами для предупреждения об ухудшении ситуации и о возможном несанкционированном проникновении в контролируемый район. В Балтийском регионе это относится к действующим объектам - источникам различного типа загрязнений, а также к многочисленным захоронениям, в том числе невзорвавшихся боеприпасов. Актуальность уточнения мест расположения подобных источников резко возрастает в связи с интенсивным освоением шельфа Арктических морей и работ на Балтике, связанных с искусственными сооружениями на дне и близи береговой черты. Сложные гидро- и геоакустические условия этих мелководных морей требуют разработки новых технологий поиска малоразмерных объектов на морском дне и в его верхних слоях на мелководье (единицы - десятки метров), обеспечивающих высокое разрешение (0,2-0,5 метра) при проникновении в грунт на единицы - десятки метров. Подобные прецизионные измерения должны сопровождаться высокоточной геодезической привязкой. В этой части существующие возможности морских гидрографических информационных систем также могут быть реализованы в предлагаемых проектах.

Программа обеспечения безопасности Северо-Западного федерального округа Российской Федерации, основанная на учёте ряда научно-технических факторов, должна включать создание иерархической структуры экологических центров, решающих задачи комплексного обеспечения реагирования на чрезвычайные ситуации техногенного и природного характера.

Структура системы должна предусматривать решение следующих задач:

- мониторинг окружающей среды и объектов;

- прогнозирование развития ситуации на основе разработанных моделей;

- организация мер по предотвращению чрезвычайных ситуаций;

- организация мероприятий по ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций;

- организация мероприятий по экологическому оздоровлению окружающей

среды.

Последовательная схема перечисленных мероприятий должна поддерживаться системой страхования, включающей специальный банк, силами и средствами реагирования на чрезвычайные ситуации, включая предотвращение и штрафование, систему экологического образования и менеджмента в области реагирования на чрезвычайные ситуации.

Практически все перечисленные в заключительной стадии позиции предполагают прогнозирование рисков как для оценки целесообразности соответствующих схем страхования, так и для построения системы «иммунитета» к террористическим воздействиям на техногенные объекты. Такая задача, например, актуальна для обеспечения антитеррористической устойчивости объектов питьевого водо-

снабжения, экологической безопасности акватории и побережья Финского залива и других.

Соответственно иерархии решаемых задач должна разрабатываться иерархическая система рисков от объектовых до геополитических, включающих комплекс условий влияния последствий чрезвычайных ситуаций на окружающую природную и социально-экономическую среду соответствующего масштаба.

Для оптимального распределения усилий как с точки зрения страхования и обеспечения защиты, так и с точки зрения РЯ-действий по созданию мер «иммунитета» необходимо построение рельефа рисков. Такая задача актуальна для вышеупомянутой системы прогнозирования последствий чрезвычайных ситуаций в регионе Финского залива, в которой следующим этапом является разработка динамики рельефа рисков. Это особенно важно не только для управляющих органов Северо-Западного региона Российской Федерации, но также и для государств Балтийского моря, для которых влияние последствий чрезвычайных ситуаций является значительным.

Подходы к определению рисков на объектовом уровне могут быть основаны на общих положениях теории решений, использующихся в методах исследования операций. В этом случае под риском при использовании определённой стратегии в конкретных условиях понимают разность между выигрышем, который мог быть достигнут при знании этих конкретных условий, и выигрышем в тех же условиях при применении той же стратегии.

Риск выражается через элементы матрицы выигрышей, на основе которой выбирается стратегия, соответствующая максимальному выигрышу в определённом столбце матрицы, и при вычислении риска, соответствующего каждой стратегии в данных условиях, учитывается общая благоприятность или неблагоприятность окружающей среды. При подобных расчётах необходимо производить нормирова -ние величин рисков для объектов различной физической природы и различных условий влияния на окружающую среду с учётом её сущности.

При разработке георельефов рисков в качестве одной из возможных может быть применена методология, изложенная в трудах НАТО «Методологии рисков для технологических применений», в соответствии с которой могут быть построены рельефы рисков и их динамика при наличии экспериментальной информации и разработанных моделей прогнозирования.

Следует отметить, что по этой методологии, как и по другим, рельефы рисков для различных признаковых пространств оценки и различных масштабов будут иметь существенные отличия. В настоящее время практически отсутствуют методы оценки геополитических рисков, включая формулировку содержания понятия риска глобального масштаба. В качестве возможного ухода от масштаба и физической сущности риска может быть интуитивно предложен информационноэнтропийный подход, хотя существует потребность в более конкретных научно -технических решениях, что является предметом отдельного обсуждения.

Это обусловило необходимость уделять указанным направлениям первостепенное внимание, делая целесообразным организацию в Санкт-Петербурге рабочей группы для разработки предложений по проектам и программам этого направления, а также постоянно действующего семинара специалистов, способствующего формированию понятийного аппарата и научно-методических подходов в решении проблем риска. Для оценки загрязнённости нефтепродуктами открытых участков водной поверхности были разработаны радиолокационные методы, а в качестве одного из примеров технического решения задачи оценки нефтяной загрязнённости поверхности воды в том числе под ледовым покровом, был разработан метод, физической основой которого является изменение коэффициента отра-

3б

жения (индикатрисы рассеяния) от водной (ледовой), донной и объемной неоднородностей.

Поскольку морская поверхность является границей раздела, на которой величина волнового сопротивления меняется скачком, энергия, падающая снизу на поверхность, практически вся возвращается в воду, а характер акустического поля зависит от ряда факторов, основным из которых является соотношение размера неровности поверхности с длиной падающей волны. В общем случае акустическое поле состоит из двух компонентов: регулярного (когерентного) и случайного (некогерентного), и количественно соотношение между ними определяется параметром Рэлея:

Ф = 2ksn sin а : к = 2р/ 1,

где Sn - среднеквадратичное значение высоты неровностей. Параметр Рэлея определяется не только степенью неровности поверхности, но частотой падающей волны и углом скольжения относительно некоторой средней плоскости. Если параметр Рэлея меньше единицы, поверхность принято считать слабошероховатой, если больше единицы, поверхность является существенно неровной и основная доля переизлученного поля заключена в рассеянной составляющей. Отсутствие достаточно полного набора экспериментальных сведений коэффициента отражения W в этом случае вынуждает на практике использовать расчётные значения для коэффициентов отражения от статистически неровных поверхностей моря. В частности, формула Марша имеет вид

W = 1 - 0,458а (3fH)3/2(3H)I/I0 ,

где а - угол скольжения в радианах; f - рабочая частота, кГц; Н - среднее значение высоты волны от подошвы до гребня. Это выражение справедливо для случая длинных по сравнению с размерами неровностей акустических волн. В зависимости от угла скольжения коэффициент отражения изменяется от 0 до 40 дБ, и его резкое изменение происходит на границах диапазона. Наличие нефтяного загрязнения на поверхности изменяет как коэффициент поверхностного натяжения жидкости, так и степень ветрового волнения при отсутствии ледового покрова, поэтому необходима гидрофизическая аттестация обследуемого района с после -дующим периодическим измерением коэффициента отражения.

Взаимодействие между акустическими волнами и дном - сложный процесс. Он включает зеркальное отражение от границы раздела вода - грунт, рассеяние от неровной границы и неоднородностей в грунте и поглощение. Простейшей физической моделью дна является его представление в виде полубесконечного пространства с параметрами, характерными для жидкости. Для коэффициента отражения плоской волны в этом случае справедлива формула

V=[m cos J - n2- sin2J]/[m cosJ + n2-sin2J] ,

где m - отношение плотностей грунта и воды; n - коэффициент преломления, J -угол падения. Как и для поверхностного отражения, зависимость является более резкой на границе диапазона, являясь практически неизменной в диапазоне углов 30...600, примерно на 10 дБ отличаясь для гравия, песка и ила.

Зависимость коэффициента донного отражения от наличия на его поверхности нефтяной плёнки также может быть получена экспериментально для конкретного региона и использована для получения информации о нефтяном загрязнении. В качестве примера предлагается два варианта структуры подводного мониторинга района, представляющего собой пролив в месте расположения нефтяного терминала. Оба варианта предполагают оборудование двух береговых портов на противоположных берегах пролива с расстоянием между ними 3800 метров. Глубина пролива составляет 25 метров на расстоянии 600 метров от материкового берега и 750 метров от острова.

Поскольку вынос пирса швартовки танкеров от материкового берега состав -ляет расстояние около 600 метров, то в первом варианте размещение приемоизлучающей системы может быть осуществлено на глубине примерно 10 метров на основании пирса со сканированием в сторону противоположного берега под углами скольжения, определяемыми соотношением глубины расположения антенны и расстоянием до антенны на противоположном берегу (рис. 1). На противоположном берегу располагается вертикальная цепочка из пяти гидрофонов для приема сигналов, пришедших под различными углами сканирования. Бистатическая сила цели отраженного сигнала согласно известной теореме соответствует моностати-ческой силе цели (донной или поверхностной площади отражения, определяемой шириной характеристики направленности облучения) в направлении биссектрисы угла между направлениями излучения и приема, т.е. в направлении перпендикуляра к поверхности или дну. Наряду с моностатическим приемом в точке излучения такая информация позволяет измерять изменения коэффициента отражения от поверхности и дна в зависимости от нефтяного покрытия.

Недостатком варианта в данной структуре является необходимость вертикальной цепочки гидрофонов на приемном посту и малые углы скольжения в реальной геометрии системы мониторинга.

Антенна Антенна

Рис. 1. Первый вариант структуры подводного мониторинга

В другом варианте устанавливается одна приемно-излучающая система на дне в центре обследуемого района с направлением излучения в верхнюю полусферу и сканированием в углах, обеспечивающих обзор водной (ледовой) поверхности протяженностью 1200 метров в обоих направлениях от оси фарватера (рис.2). При этом донные структуры могут обследоваться периодически, например 1 раз в два месяца, с помощью аппаратуры ПЭВ-К, установленной на катере малого водоизмещения, наличие которого в системе мониторинга нефтяного терминала целесообразно по ряду других оснований.

Приемный пост Излучающий пост

Излучатель/приемник

Рис. 2. Второй вариант структуры подводного мониторинга

Основными этапами проверки работоспособности методов являются:

• компьютерный эксперимент с моделированием двух вариантов предлагаемой структуры мониторинга подводной среды и расчетом ожидаемых количественных характеристик отражения и их соотнесения с параметрами различных загрязнений, изменяющих коэффициент поверхностного натяжения водной среды и структуру донных отложений;

• модельный эксперимент, например, в гидроакустическом бассейне, для проверки основных количественных соотношений, полученных в ходе компьютерного моделирования;

• натурный эксперимент для определения возможностей создания реальной инженерной структуры гидрофизического мониторинга подводной среды в зоне нефтеналивного терминала.

В качестве экспертного заключения о возможностях дистанционного гидрофизического мониторинга могут служить результаты взятия проб грунта и воды с помощью вышеупомянутого катера с соответствующей аппаратурой либо аппара -туры, методик и судов малого водоизмещения. Такая работа может быть совмещена с экспериментами по созданию системы охраны подводной зоны нефтеналивного терминала от проникновения подводных террористов.

В заключение необходимо отметить, что наиболее эффективным путём решения проблемы должно быть не разрозненное выполнение пусть даже большого количества проектов и предложений, а разработка и реализация целевой Программы, включающей проекты и предложения, объединённые единым замыслом и планом, которую можно сформулировать как «Программу экологического оздоровления прибрежных морей Северо-Западного региона России».

Комплексность моделей и необходимость декомпозиции определяют перспективность разработки объектно-ориентированных моделей прибрежной зоны и Арктического шельфа, включающих в себя в общем случае верхнее полупространство, поверхность, водную среду, донную поверхность, нижнее полупространство.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Митько В.Б. Роль экологической ситуации в формировании концепции национальной безопасности Северо-Западного региона России // Труды межд.конф. «Экологическая безопасность на пороге XXI века». - СПб., 1999. - С. 34 - 51.

2. Митько А.В., Митько В.Б. Гидрофизическая аттестация в информационном обеспечении комплексного управления прибрежной зоной //Тезисы докл. межд. конф. «Региональная информатика РИ-2000». - СПб., 2000. - С.129.

3. Митько А.В., Митько В.Б. Объектно-ориентированный подход к разработке модели обеспечения навигации в прибрежной зоне //Тезисы докладов конференции «Современное состояние и проблемы навигации и океанографии» («НО-2001»). -СПб., 2001. - С. 56 - 61.

4. Погребов В.Б., Шилин М.Б. Экологический мониторинг прибрежной зоны Арктических морей. - СПб.: -Гидрометеоиздат, 2001. - 95 с.

5. Митько А.В. Гидроакустические системы позиционирования на Арктическом шельфе // Труды межд. научно- практ. конф. «Наука и технологии для устойчивого развития северных регионов». - СПб., 2003. - С.190 - 192.

6. Митько А.В. Модель мелководного канала в задачах комплексного управления

прибрежной зоной // Труды межд. конференции «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики» («ГА-2006»). - СПб., 2006. - С.416 - 421.

7. Mit’ko A., Mit’ko V., Hvostov A. Application of Marine Hydrographic Information Systems For Resource and Ecological Problems Solution. Proceed. Intern. Conf. On Informatics and Control (ICIC’97). - SPb., 1997.- Р.1198, - 2002.

В.Н. Кравченко, А.И. Хилько

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КОГЕРЕНТНОСТИ НИЗКОЧАСТОТНЫХ ЗВУКОВЫХ ИМПУЛЬСОВ НА ТОМОГРАФИЧЕСКИХ ТРАССАХ БОЛЬШОЙ ПРОТЯЖЕННОСТИ

В МЕЛКОМ МОРЕ

Используемый при натурных экспериментах по низкочастотной томографии [1 - 3] излучающий комплекс представляет собой вертикальную антенную решетку из 16 излучающих модулей, каждый из которых включает излучатель электромагнитного типа с номинальной акустической мощностью порядка 70 вт при КПД = 70 % с одинаковыми резонансными частотами (разброс частот составляет 1,5 %), цифровой блок управления и возбуждения колебаний.

Управление излучением и контроль его качества обеспечивался общим для излучающей решетки управляющим процессорным блоком с библиотекой программ, соответствующих различным амплитудно-фазовым распределениям на апертуре антенной решетки и различным типам излучаемых сигналов (тональные, тонально-импульсные, гиперболочески частотно-модулированные (ГЧМ) импульсы, фазоманипулированные импульсы, модулированные псевдослучайными м-последовательностями и др.). При проведении экспериментов на сверхдальних трассах в мелком море были реализованы режимы излучения, соответствующие однородному амплитудно-фазовому распределению, а также первым трем собственным модам акустического волновода. Используемые при измерениях приемные антенны представляли собой донные линейные решетки из 16 эквидистантно расположенных на дне приемных гидрофонов. Приемные решетки были снабжены контейнерами с аппаратурой питания, обработки и регистрации принимаемых сигналов.

С помощью указанной аппаратуры были осуществлены исследования возбуждения распространения и рассеяния неоднородностями гидроакустического канала в мелком море. Как следует из экспериментальных данных, прием одиночным