§ 3. Организация контроля состоянияи загрязнения природной среды в городах

Впервые попытки изучения газовой оболочки Земли были предприняты великим русским ученым М. В. Ломоносовым, а позднее — Д. И. Менделеевым. Первая служба погоды в России появилась в 1872 году.

Метеорология — наука о земной атмосфере, ее строении, свойствах и происходящих в ней процессах. В процессе изучения физических свойств атмосферы и происходящих в ней явлений эта наука рассматривает их во взаимной связи со свойствами и влиянием подстилающей поверхности (суша, море). Ее главной задачей является прогнозирование погоды на различные сроки.

Как известно, в России организацией контроля состояния и загрязнения природной среды занимается Росгидромет. Одно из его подразделений — Государственная служба наблюдений и контроля за уровнем загрязнения воздушной среды условно разделяется на 3 крупных подсистемы: я — подсистема контроля в зонах интенсивного воздействия: зоны городов и промышленных районов (контроль атмосферы); устья рек, озера и водохранилища в промышленных районах, особенно места сброса сточных вод (контроль поверхностных вод); районы животноводческих ферм и городов с коммунальными стоками (контроль поверхностных вод); районы больших городов, автомагистралей и сельхозугодий с интенсивным применением ядохимикатов (контроль почв); я — подсистема контроля загрязнений на региональном уровне — в атмосфере небольших городов и районов, примыкающих к зонам интенсивной работы промышленности; изменения загрязнений в большом числе мест на реках, озерах, морях, в почвах хозяйственного освоения. Сюда может быть отнесен и мониторинг распространения примесей на большие расстояния (трансграничный перенос); я — подсистема контроля загрязнений на фоновом уровне (в зонах, удаленных от любых локальных источников).

Все средства экологического контроля, с точки зрения используемых методов исследования, можно разделить на дистанционные и наземные.

Дистанционные методы исследования осуществляются посредством зондирующих полей (электромагнитных, акустических, гравитационных) и переноса полученной информации к датчику. Таким образом, дистанционные методы базируются на физических методах исследования, используемых в авиационном и космическом мониторинге, а также для слежения за средой в труднодоступных местах Земли.

Наземные методы базируются на химических и биологических методах исследования.

Наземные методы. Основным компонентом в системе метеорологических наблюдении является метеорологическая станция. Она предназначена для регулярных наблюдений за состоянием атмосферы, которые включают измерения температуры, давления и влажности воздуха, скорости и направлении ветра, определения других характеристик состояния атмосферы (облачность, осадки, видимость, солнечная радиация), определение начала, окончания и интенсивности атмосферных явлений. Существующие наблюдения ведутся по стандартной программе и используются для составления прогнозов погоды, изучения климата и его изменений, предупреждения о неблагоприятных метеорологических явлениях. При этом различают метеостанции наземные, дрейфующие, устанавливаемые на судах, на буях в открытом море.

За качеством атмосферного воздуха населенных пунктов ведутся наблюдения со стационарных, маршрутных и передвижных (подфакельных) постов. На стационарных постах устанавливаются специальные павильоны типа «Пост-1», «Пост-2», «Воздух» , оснащенные аппаратурой для отбора проб воздуха и приборами для определения метеорологических параметров (направления и скорости ветра, температуры и влажности воздуха, атмосферного давления).

Стационарная комплексная лаборатория «Пост-1» позволяет производить одновременный отбор 8-10 проб воздуха по заданной программе. Содержание S02 и СО при этом определяется автоматически с выводом данных на самописец.

Для измерения температуры, давления и влажности воздуха применяют радиозонд, поднимающийся в атмосферу на шарах- пилотах, наполненных водородом. Радиосигналы, направленные от зонда, на Земле принимаются специальной радиоприемной аппаратурой с автоматической или полуавтоматической регистрацией показаний. Высота полета радиозондов — 30—40 км, дальность действия — 150-200 км. К основной аппаратуре радиозонда относятся датчики температуры, давления, влажности, преобразователь измеряемых величин (например температуры) в электрический кодовый сигнал, радиопередатчик и источник электропитания.

Пункты наблюдений размещаются обычно на открытых продуваемых местах с непылящим покрытием (асфальт, газон, твердый грунт) в центральной части города, жилых районах (наиболее загрязненных), вблизи магистралей с интенсивным движением автотранспорта.

Наблюдения за загрязнением атмосферного воздуха и метеопараметрами на стационарных постах проводятся круглогодично по четырем программам: полной (ежедневно в 1, 7, 13 и 19 ч. по местному декретному времени с получением информации о разовых и среднесуточных концентрациях), неполной (информация о концентрации вредных веществ в 1, 13 и 19 ч.), сокращенной (в 7 и 13 ч.) при температуре воздуха ниже -45 °С, а также по суточной программе (непрерывный отбор воздуха с получением информации о среднесуточной концентрации вредных веществ).

Обязательно определяются: взвешенная пыль, S02, СО, N0, а также вещества, характерные для каждого предприятия данного города (например, свинец, сажа и бенз(а)пирен — в районах значительного скопления автотранспорта).

Наблюдения за состоянием атмосферы проводятся в городах и населенных пунктах России 661 стационарным постом Росгидромета — в 236 городах и поселках. В большинстве городов измеряются концентрации от 5 до 30 веществ. В системе Росгидромета имеется 107 химических лабораторий, в 53 кустовых лабораториях анализируются пробы воздуха для 89 городов. На территории РФ действуют пять централизованных лабораторий (например, в Обнинске — для определения концентраций бенз(а)- пирена и металлов, в Екатеринбурге — для определения концентраций металлов), а также 12 газохроматографических лабораторий для определения концентраций ароматических углеводородов.

Контролируют качество атмосферы и с помощью стационарных комплексных лабораторий, оснащенных сложной аппаратурой для измерения количества ЗВ. При этом основными методами, используемыми при анализе вредных веществ, являются: фотометрический (сравнение оптической плотности исследуемого и контрольного растворов) с применением фотоколориметров; газохроматографический, основанный на селективном разделении химических соединений между отдельными фазами (подвижной и неподвижной). Этим методом можно определять ничтожно малые количества веществ, не обладающих специфическими реакциями; спектрально-эмиссионный (излучение световой энергии атомами, ионами. Линейчатые спектры излучения зависят от вида химических соединений); атомно-абсорбционный, основанный на способности свободных атомов элементов селективно поглощать резонансное излучение.

При маршрутных наблюдениях и дополнительных обследованиях загрязнения атмосферного воздуха используются передвижные лаборатории типа «Атмосфера». Измерительные приборы и оборудование лаборатории, смонтированные в кузове автофургона типа «УАЗ-452А», позволяют одновременно отбирать пробы воздуха на оксиды азота, углерода, серы, пыль, сажу, проводить метеорологические наблюдения. Лаборатории типа «Атмосфера» могут проводить ежегодно анализ до 5000 проб. Наблюдения с автомашины эпизодически проводятся для определения концентрации вредных веществ под дымовыми или газовыми факелами предприятий на расстоянии не менее 500 м от источника выбросов.

Выбор с целью контроля содержания ЗВ в атмосферном воздухе определяется в зависимости от количества выбросов этих веществ, их класса опасности, характерного размера города, рассеивающей способности атмосферы данного района. В тех случаях, когда выбросы невелики, создаваемая ими наземная концентрация примеси может оказаться на уровне фоновых значений;

контроль за содержанием таких веществ не нужен. Принцип выбора вредных веществ для контроля основан на использовании параметра потребления воздуха, т.

В Москве действуют 36 стационарных постов, на которых воздух оценивается по 30 стандартным показателям, но, при необходимости, число показателей может быть увеличено.

Сеть станций наблюдения трансграничного переноса веществ установлена на западных границах России. В настоящее время работают три станции — в Янискоси, на Пушкинских горах и Пинеге. На станциях наблюдения производится отбор проб атмосферных аэрозолей, газов (оксидов азота и серы) и атмосферных осадков.

Дистанционные методы контроля атмосферы. Дальнейшее развитие познаний атмосферных процессов связано с развитием дистанционных неконтактных методов контроля, позволяющих получать пространственную и временную информацию об изменении температуры, влажности, загрязнений, скорости и направлении ветра. В связи с этим разрабатываются акустические, радиоакустические, радиолокационные методы.

Радиоакустическое зондирование, которое осуществляют с помощью эхолокаторов либо с наземной станции, либо с борта самолета, основано на измерении скорости распространения звуковых волн от неподвижных или движущихся относительно среды (воздух, водоем) источников колебаний. С целью повышения точности и достоверности измерений рекомендуется совмещение радиоакустической и акустической систем дистанционного неконтактного контроля приземного слоя атмосферы.

Радиолокационное наблюдение осуществляется тремя способами: 1) облучением объекта радиоволнами и приемом отраженных от него (рассеянных им) радиоволн; 2) облучением объекта и приемом переизлученных (ретранслируемых) им радиоволн; приемом радиоволн, излучаемых самим объектом.

Радиолокационная станция (РЛС, локатор) — устройство для обнаружения и определения методами радиолокации местоположения объектов в воздухе, на воде или на земле. РЛС широко применяют на транспорте, в астрономии, космонавтике, метеорологии. Радиолокационная станция состоит из мощного радиопередатчика, работающего в метровом, дециметровом, сантиметровом и миллиметровом диапазонах волн; направленной антенны; радиоприемника, работающего на той же волне, что и радиопередатчик; индикаторного устройства; вспомогательного оборудования (источников электропитания и др.).

Получение изображений местности с помощью радиолокационной аппаратуры, установленной на летательных аппаратах, называется радиолокационной съемкой. Она может проводиться в сложных метеоусловиях и в любое время суток, а также для изучения объектов, закрытых снегом, растительностью, рыхлыми отложениями, и способна дать дополнительную информацию, которая отсутствует на фотографиях.

В последнее время получает свое развитие лазерный (лидар- ный) контроль атмосферы. Лазеры — это приборы, испускающие световой луч острой направленности, то есть с малой расходимостью световых лучей. Благодаря этому все излучение лазера собирается в пятнышко площадью ~10-6 см2, в котором создается огромная плотность энергии (до 10 ТВт/см2).

Принцип лазерного зондирования атмосферы заключается в том, что лазерный луч при своем распространении рассеивается молекулами, частицами, неоднородностями воздуха, поглощается и изменяет свои физические параметры (частоту, форму импульса и др.). При этом возникает свечение (флюоресценция), что позволяет качественно и количественно судить о тех или иных параметрах воздушной среды (давлении, температуре, влажности, концентрации газов и т. д.). Лазерное зондирование атмосферы осуществляется преимущественно в ультрафиолетовом, видимом и микрометровом диапазонах. Использование лидаров с большой частотой повторения импульсов малой длительности позволяет изучать динамику быстро протекающих процессов в малых объемах и в значительных толщах атмосферы.

В России разработаны высокоэффективные дистанционные и автоматические средства контроля за качеством атмосферного воздуха. В Центральной аэрологической обсерватории созданы автоматические спектроскопические приборы, которые позволяют на расстоянии изучать загрязненные участки атмосферы. Исследуемую область прошивают лучом и по снижению интенсивности возвратившегося потока света судят о чистоте воздуха. Преимущества этого способа контроля перед обычным взятием проб воздуха неоспоримы: практически мгновенно получается результат, обследование можно проводить на больших площадях, к тому же непрерывно.

Оптический измеритель мощности выбросов диоксида азота в атмосферу многочисленными ТЭЦ и предприятиями химической промышленности внешне напоминает фиксатор скорости, широко используемый работниками госавтоинспекции: объектив наводится на интересующий участок, и на экране сразу же появляются цифры, по которым можно судить о степени загрязненности.

В Институте космического приборостроения для контроля за загрязнением атмосферного воздуха разработаны мобильные лазерные комплексы. Одна такая лазерная система, установленная на крыше высотного дома, уже действует в Москве. Мощности стационарного лазера недостаточно для обнаружения отдельных небольших очагов экологического загрязнения, поэтому лазерные «пушки» монтируются на грузовиках ЗИЛ-130, которые могут работать в разных районах столицы. Мобильная лаборатория позволяет установить точные координаты источника загрязнения и провести анализ выброшенных в атмосферу вредных веществ.

Начиная с 60-х годов в СССР и США велись регулярные запуски метеорологических спутников: серии «Космос» и «Метеор», американские спутники серий «Тирос», «Эсса», «Нимбус» и другие. За 1 час спутник накапливает и передает информацию с площади 30 тыс. км2. Успешное функционирование космических систем предоставляет большой объем метеорологической информации. Значительное количество такой информации поступало с орбитальной станции «Мир», которая около 10 лет осуществляла непрерывный мониторинг за состоянием природной среды Земли.

Изображения, доставляемые с борта космического аппарата на наземный комплекс обработки информации, подвергаются предварительной технической и последующей тематической об

работке, сущность которых определяется задачами, поставленными на наблюдение. К числу таких задач следует отнести следующие: обнаружение очагов лесных пожаров; обнаружение нефтяных пятен на акваториях, мест разрывов нефтепроводов; оценку уровня загрязнения подстилающей поверхности; определение изменений характера растительного покрова; оценку загрязнений водных ресурсов; определение наличия облаков антропогенного происхождения; обнаружение зон затоплений, разливов и т. д.

Анализ применения активных орбитальных РЛС в экологических целях показывает, что основными направлениями их использования являются контроль ОПС, экологическое картографирование и создание геоинформационных систем. Решение указанных задач связано с выявлением (установлением): экологически значимых факторов природной среды (геологического строения, рельефа, растительного покрова, почвы и т. п.); антропогенных нарушений и загрязнений природной среды; источников антропогенных нарушений и загрязнений природной среды; последствий экологических нарушений.

Для этого требуются сбор и обработка различных видов информации: геометрической (координаты и высоты точек местности) и синтаксической (форма объектов); семантической (содержательные свойства объектов); структурной (пространственные и содержательные отношения объектов).

Следовательно, данные дистанционных средств должны обладать детальностью, обзорностью, разновременностью и разнородностью информации. Требования к периодичности наблюдения, полосе обзора и разрешающей способности космических средств дистанционного зондирования для наблюдения некоторых природных объектов представлены в табл. 4.2.

Дистанционные методы широко применяются при изучении атмосферы, гидросферы и биолитосферы. Преимуществом дистанционного измерения является возможность беспрерывного определения средних концентраций ЗВ по площади (в отличие от наземных методов, которые дают концентрации лишь в одной точке), а также оценки вертикального распределения примесей, характеризующих потенциал загрязнений. Кроме того, данные метода позволяют оценивать движение ЗВ в атмосфере без анализа проб в различных пунктах, и таким образом, устанавли-

Требования к дистанционным средствам

космического мониторинга

Таблица 4.2

вать влияние источника загрязнения, расположенного на расстоянии нескольких километров, прогнозировать угрожающие ситуации.

Для оценки и прогноза влияния антропогенных факторов на состояние природной среды РФ функционирует система фонового мониторинга. Шесть станций комплексного фонового мониторинга расположены в биосферных заповедниках: Баргузин- ском, Центрально-Лесном, Воронежском, Приокско-Террасном, Астраханском и Кавказском. Информация собирается о важнейших компонентах атмосферы — озоне и диоксиде углерода, об оптической плотности аэрозоля, химическом составе осадков, ат- мосферно-электрических характеристиках. Системой фонового мониторинга России проводятся регулярные измерения на сетях станций по следующим параметрам: общее содержание озона — на 30 станциях; общее содержание диоксида углерода — на 3 станциях; химический состав осадков — на 11 станциях; атмосферное электричество — на 4 станциях.

Наблюдения за этими компонентами входят в обязательную

программу исследований в рамках глобальной службы атмосферы и сети глобального фонового мониторинга. Российские станции являются частью глобальных международных наблюдательных сетей.

Основное направление совершенствования системы мониторинга урбанизированных территорий. Наблюдения за состоянием атмосферного воздуха велись в нашей стране многие годы, однако все делалось (и делается еще) в основном в ручном режиме (отбор проб воздуха — транспортировка — в лабораторию — выполнение анализов — запись в журнал — оформление итоговых отчетов). Это обстоятельство не позволяло получать и использовать данные в реальном масштабе.

Для решения указанной проблемы в последние годы в практику контроля состояния и загрязнения природной среды в городах внедряются автоматизированные средства контроля, среди которых, например: газоанализатор «Атмосфера-1» (S02, H2S); газоанализатор «Атмосфера-П» (С12, 03); газоанализатор «Пал- ладий-2М» (СО); контрольно-измерительный комплекс «ПОСТ-1» (СО, S02, N02, фенол, H2S, HF, Cl2, CS2, пыль); лаборатория «ПОСТ-2» (СО, S02, пыль); автоматизированная система контроля за загрязнением воздуха АСКЗВ (S02, СО и др.); автоматизированная система наблюдений и контроля за состоянием ОС — АНКОС-А (S02, СО и др.).

Кроме того, используется «Лаборатория исследования атмосферных загрязнений» типа «ИАЗ-1», имеющая блоки полярографии, фотоспектроскопии, фотометрии, анализа канцерогенных веществ. Ее производительность до 10 000 анализов в год.

Будущее видится в создании автоматизированных комплексов по анализу состояния атмосферы, передаче информации в центр и автоматизированной обработке полученных результатов. Для этого используются достижения микроэлектроники, вычислительной и измерительной техники. В результате стали появляться городские, а затем и региональные сети автоматизированных постов контроля загрязнений атмосферы; некоторые из них превратились к настоящему времени в мощные информационно-измерительные системы, позволяющие оперативно получать достоверные данные о качестве воздуха в реальном времени и принимать на их основе необходимые решения по управлению экологической обстановкой.

Система экологического мониторинга городского воздуха включает (С. Колтыпин и А. Петрулевич, 2005 г.): 1) информационноизмерительную сеть; 2) сеть передачи данных; 3) центр мониторинга (ЦМ); 4) сеть пользовательских терминалов (см. рис. 4.1).

Рис. 4.1. Архитектура системы экологического мониторинга

Информационно-измерительная сеть объединяет автоматические станции мониторинга (ACM) и стационарную аналитическую лабораторию, которая оборудована терминалами ввода в систему результатов лабораторных анализов.

Сеть передачи данных обеспечивает сбор измерительной информации, поступающей от ACM, по радио или телефонным каналам связи.

Центр мониторинга (ЦМ) представляет собой ряд объединенных в локальную вычислительную сеть компьютеров, которые обеспечивают прием, накопление, обработку и распределение данных.

Пользовательские терминалы (локальные и удаленные) размещаются в подразделениях и службах, имеющих целью решение задач контроля и управления экологической обстановкой, и обеспечивают их персонал данными мониторинга в реальном масштабе времени.

Центральным звеном системы экологического мониторинга атмосферного воздуха являются автоматические станции мониторинга (рис. 4.2).

Рис. 4.2. Автоматическая станция мониторинга воздуха

Основная задача станции — в оперативном режиме получить и передать в ЦМ информацию о качестве атмосферного воздуха и метеорологической обстановке в контролируемой точке населенного пункта.

Станция работает в полностью автоматическом режиме, монтируется в закрытом павильоне и состоит из следующих функциональных подсистем: 1) жизнеобеспечения; 2) измерения; информационно-управляющей и 4) подсистемы связи.

Центр мониторинга разворачивается в виде семейства информационно-вычислительных программно-аппаратных комплексов,

объединенных в локальную вычислительную сеть (рис. 4.1), В их число входят: 1) коммуникационный комплекс (КК), обеспечивающий прием информации от измерительной сети; 2) диспетчерский комплекс (ДК), предназначенный для оперативной обработки принятой информации, отображения экологической ситуации и наблюдения за работой измерительной техники; 3) архивный комплекс (АК), предназначенный для ведения долговременных архивов измерительной информации и ее статистической обработки; 4) геоинформационный моделирующий комплекс (ГМК), на котором по измерительным данным проводится математическое моделирование текущей экологической ситуации на контролируемой территории и составляются прогнозы динамики ее развития.

Данные об уровне загрязнения атмосферы используются при составлении кратковременных прогнозов, предупреждений о возможном повышении загрязненности в связи с неблагоприятными метеорологическими условиями, для выработки мер, направленных на понижение концентрации вредных веществ.