Технические и технологические аспекты экологического мониторинга

К настоящему времени в России и за рубежом создан большой парк специальной и универсальной контрольно-измерительной и аналитической техники, ряд образцовых средств и технологий проведения анализа, контроля, оценки, обработки информации. Поэтому задача технико-технологического обеспечения экологического мониторинга сводится к выбору оптимального комплекта технических средств наблюдения и контроля из числа серийно выпускаемых различными предприятиями и ведомствами на основе нормативной базы экологического мониторинга.

Результаты экологического мониторинга составляют информационную базу (банк данных) ООС (охраны окружающей среды), что позволяет использовать ЭВМ для сбора, хранения, обработки и анализа информации. Информационное обеспечение ООС, в свою очередь, является основой для управления природоохранной деятельностью, проведения ресурсосберегающей политики. Информативность мониторинга во многом зависит от уровня технических средств (оснащенности службы), поэтому при комплектовании приборного парка необходимо руководствоваться всем комплексом нормативов контроля, регламентирующим объемы, периодичность, требуемую точность и достоверность, а также полноту наблюдений. Обязательное условие обеспечения требуемой информативности — использование ЭВМ и средств мониторинга на их основе.

Ведомственная служба экологического мониторинга должна иметь полный комплект необходимых технических средств для контроля всех основных параметров загрязнений окружающей среды. Обычно состав загрязнителей воздуха, воды, почв достаточно точно прогнозируется (оксиды азота, углеводороды и др.), поэтому задача экологического контроля сводится к количественному определению концентраций известных загрязнений. Для этого ведомственные службы экологического контроля достаточно оснастить комплексными стационарными и передвижными постами (лабораториями) экологического контроля качества воздуха, воды, почв.

Пост экологического контроля чаще всего состоит из метеорологических датчиков для контроля температуры, влажности, направления ветра, скорости ветра; датчиков контроля гамма-излучения (одного из видов радиационного излучения) и газоанализаторов.

Основой автоматизированного поста экологического мониторинга является контроллер (микропроцессорный блок), который выполняет следующие базовые функции:

• • опрос датчиков поста экологического контроля с заданным временным интервалом между моментами измерения;
• • передача информации с датчиков контроля во внутреннюю память с привязкой моментов измерения к реальному времени;
• • сохранение информации при перебоях с питанием;
• • обмен информацией, но модемной связи с внешними пользователями.

Все эти функции обеспечиваются аппаратным и программным способами. В качестве системы коммуникации может быть использована сеть Internet и модемная связь. Кроме того, можно использовать радиомодемную связь.

Структурная схема автоматического поста экологического контроля приведена на рис. 7.5. Пост контроля позволяет осуществлять наращивание системы с последующим расширением ее функциональных возможностей.

Рис. 7.5. Структурная схема автоматического поста экологического мониторинга:

• 1,2 — газовые датчики; 3 — преобразователь сигналов выхода газовых датчиков в сигналы, совместимые со входами контроллера; 4 — датчики направления и скорости ветра; 5, 6 — преобразователи информации о направлении и скорости ветра в сопротивление; 7 — датчик температуры и влажности; 8, 9 — преобразователи температуры и влажности в сопротивление; 10 — кабели от датчиков;
• 11 — контроллер; 12 — программное обеспечение контроллера; 13 — компьютер;
• 14 — программное обеспечение; 15 — программное обеспечение стандарта передачи данных; 16 — телефонный модем; 17 — розетка телефонного аппарата;
• 18 — программное обеспечение Internet, 19 — карта подключения к сети Internet;
• 20 — узел подключения к сети Internet

Российский опыт

Автоматический пост экологического контроля (ЛПЭК) предназначен для проведения непрерывного автоматического измерения массовой концентрации загрязняющих веществ в атмосферном воздухе и контроля метеорологических параметров. Благодаря своим габаритам, массе и функциональным возможностям, 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 и пр.

Изготавливается ЛПЭК в двух модификациях: автоматический пост экологического контроля (пост АПЭК) и автоматическая станция контроля загрязнения атмосферы (АСКЗА-М).

Корпус поста АПЭК (рис. 7.6) выполнен в виде цилиндра диаметром 1,9 м, высотой 2,8 м, с полусферической крышкой из алюминиевого сплава, устанавливаемого или стационарно на опору (сваю) на высоте 2,5 м от поверхности земли, или на передвижную платформу. Пост АПЭК сертифицирован Госстандартом РФ, внесен в Государственный реестр средств измерений (№ 17 527−98) и допущен к применению на территории Российской Федерации.

Корпус станции АСКЗА-М выполнен в виде прямоугольного павильона размером 3×2,4×2,2 м, устанавливаемого стационарно на бетонное основание (рис. 7.7).

Рис. 7.6. Автоматический ноет экологического контроля (пост АПЭК)

Рис. 7.7. Автоматическая станция контроля загрязнения атмосферы.

(АСКЗА-М) Пост АПЭК и станция АСКЗА-М состоят из комплекса измерительной аппаратуры, комплекса служебных систем и конструкции общей сборки.

Комплекс измерительной аппаратуры включает:

• • газоанализаторы на СО, на N0/N0₂/N0_x, на углеводороды, на S0₂;
• • систему автоматической калибровки газоанализаторов на СО и углеводороды;
• • метеокомплекс для определения температуры, давления, относительной влажности воздуха, а также скорости и направления ветра;
• • блок детектирования мощности экспозиционной дозы гамма-фона;
• • блок подготовки воздушной пробы.

Комплекс служебных систем включает:

• • систему энергопитания с блоком бесперебойного питания;
• • систему управления и измерений (блок управления и обработки на базе вычислительного комплекса, блок сбора и выдачи информации, блок распределения питания);
• • агрегаты обеспечения теплового режима;
• • программно-математическое обеспечение.

Программно-математическое обеспечение автоматических постов экологического контроля позволяет с автоматизированного рабочего места (АРМ) «Эколог», предназначенного для дистанционного управления постами, выдавать команды:

• а) на включсние/выключенис шин питания измерительной аппаратуры;
• б) изменение времени передачи информации;
• в) изменение периодичности сбора информации;
• г) включение/выключеиие опроса требуемых измеряемых параметров;
• д) проведение сеансов калибровки измерительной аппаратуры на СО и СН с использованием поверочных газовых смесей (ПГС);
• е) проведение консервации и останова поста.

Передвижные посты экологического мониторинга (передвижные лаборатории) позволяют повысить эффективность контроля экологической обстановки, так как с их помощью возможно проведение детального анализа состояния окружающей среды в отдельных районах города по заранее намеченной программе. С помощью таких обследований возможно выявление наиболее загрязненных районов и потенциальных источников негативных воздействий на окружающую среду и человека.

Российский опыт

Передвижные экологические посты контроля атмосферы (ПЭП) предназначены для мониторинга состояния санитарно-защитной зоны предприятий, жилых районов города, области, а также для использования в районах нефтегазовых месторождений, металлургических, химических и других производств. Они изготавливаются на базе различных шасси (рис. 7.8) и оснащаются автоматическими газоанализаторами, позволяющими измерять содержание основных загрязнителей в атмосферном воздухе.

Рис. 7.8. Передвижные экологические посты контроля атмосферы на базе

шасси Газель 2705

Основными достоинствами передвижных лабораторий являются их надежность, высокая степень автоматизации, простота в обслуживании и эксплуатации, оперативность и достоверность получения результатов измерения.

В базовую комплектацию ПЭП, как правило, входят:

• • стойка газоаналитическая для установки газоанализаторов, пробоотборных устройств, пылемера, метеорологического комплекса, системы проверки достоверности измерений, системы сбора и обработки информации, обеспечивающая устойчивое гашение колебаний при движении экологического поста;
• • комплект воздухозаборных устройств;
• • система жизнеобеспечения;
• • автоматический метеорологический комплекс для определения метеопараметров: скорости и направления ветра, влажности, температуры и атмосферного давления; снабжен автоматическим подъемным устройством на высоту до 5 м; развертывание и ориентирование метеокомплекса производится из лабораторного отсека поста;
• • автономное электропитание для обеспечения бесперебойной работы оборудования в течение рабочего дня;
• • система проверки достоверности показаний;
• • автоматизированная система сбора и обработки полученной информации, осуществляющая прием данных от газоанализаторов, хроматографического комплекса, метеорологического комплекса, спутникового навигатора и другого оборудования, снабжена программным обеспечением для обработки, анализа и интерпретации результатов измерений содержания контролируемых загрязняющих веществ в воздушной среде, а также для передачи результатов измерений по каналам связи на диспетчерский пункт сбора информации;
• • беспроводная система передачи накопленных результатов измерений.

Организации экологической службы, ее техническому оснащению для контроля какой-либо определенной территории с находящимися на ней источниками техногенеза должны предшествовать научно-исследовательские работы, необходимые для исследования и прогнозирования возможных загрязнений (по составу и объемным концентрациям). Результаты исследований служат основанием для комплектования контрольных служб техническими средствами измерений и анализа состава и концентраций загрязнителей.

Инспекционные службы применяют разные методы и средства экологического контроля. Все они равноправны по критериям информативности, точности и достоверности.

Аппаратные средства экологического контроля являются составной частью трех уровней сети наземных измерений.

Низовой уровень мониторинговой сети представлен стационарными постами контроля атмосферного воздуха и воды, передвижными лабораториями контроля атмосферного воздуха, воды, почвы и снега, выбросов и сбросов, инспекционными службами, службами получения данных от населения.

Число стационарных и передвижных станций и постов определяется результатами исследований, расчетов на имеющихся моделях конкретной природно-технической геосистемы (или природно-территориального комплекса), а также на основании накопленного опыта наблюдения за окружающей средой.

На среднем уровне сети работают центры сбора и обработки информации, полученной в низовых сетях, отличающиеся друг от друга спецификой и сложностью решаемых задач.

Высший уровень сети — пользователи информации, полученной в центрах ее сбора и обработки. Непосредственными пользователями данных являются инспекторы по охране окружающей среды.

К числу основных составляющих сети мониторинга относятся датчики и анализаторы, устройства загрузки данных, устройства передачи данных и др.

В иерархически построенной сети наземных измерений вычислительные средства обработки информации используются практически на всех уровнях сети. В стационарных и передвижных постах загрузчик данных не только управляет работой анализаторов, но и производит их первичную обработку. В локальных и центральном вычислительных центрах по основным и дополнительным поллютантам определяются уровни загрязнения среды, строятся карты изолиний, подготавливаются прогнозы, вычисляются вероятные источники загрязнений и т. п.

Вычислительный центр сети мониторинга загрязнений выполняет следующие функции:

• • управление работой сети наземных измерений в оперативном, штормовом режимах и режиме проверки работоспособности;
• • сбор информации от стационарных постов и передвижных лабораторий контроля загрязнений;
• • ведение банков данных оперативного и долговременного хранения информации с обеспечением надежности хранения информации и защиты от несанкционированного доступа;
• • обработка информации для получения общей картины загрязнений с целью выполнения прогнозов, определения интегральных оценок экологического состояния среды и др.;
• • подготовка и выдача информации о загрязнениях в плановом порядке в виде сводных таблиц, картографического материала и т. п.;
• • передача информации в автоматическом режиме в главный вычислительный центр.

Сеть передачи данных наземных измерений со станций экологического мониторинга обеспечивает регулярную (один раз в 10 мин, 30 мин, 1 ч и т. п.) передачу данных измерений от стационарных постов и передвижных лабораторий, передачу данных о тревожных и аварийных ситуациях, поступающих от населения и вычислительного центра, пользователям информации (исполнительной власти, населению и г. п.) по каналам связи.

Информация, передаваемая от стационарных постов и передвижных лабораторий контроля атмосферного воздуха и воды, невелика по объему (сотни байт), но передается достаточно часто. Скорость передачи данных невелика — сотни бит в секунду. Требования к надежности передаваемых данных не являются жесткими, так как протекающие в атмосфере и воде процессы имеют высокую скорость распространения.

Данные от вычислительного центра пользователям должны передаваться один-два раза в сутки, объем их достаточно велик (до нескольких десятков килобайт). Поэтому скорость передачи и требования к надежности передачи данных должны быть достаточно высоки.

Информационное обеспечение системы комплексного экологического мониторинга должно содержать следующие элементы:

• • упорядоченную структуру информационных потоков (входных, внутренних, выходных);
• • инфраструктуру собственно информационной базы данных;
• • методики сбора данных от стационарных и передвижных постов;
• • методики передачи данных, полученных от постов различного уровня, включая лидары — оптические локаторы для дистанционного зондирования воздушных и водных сред;
• • методики обработки данных и расчета интегральных показателей состояния окружающей среды;
• • методики определения источников выбросов;
• • структуру пользовательских организаций сети и эксплуатационных служб.

Состав программного обеспечения сети комплексного экологического мониторинга следующий:

• • развитые операционные системы;
• • стандартные базы данных;
• • картографическое и графопостроительное обеспечение;
• • мониторы для управления сбором данных.

Совокупность хранимых операционных данных, используемых прикладными системами некоторого потребителя, называют базой данных. Основополагающим при проектировании или выборе структуры базы данных является модель представления данных.

По способу организации баз данных различают реляционные, иерархические и сетевые базы данных. Реляционные базы данных строятся на основе реляционной модели данных, использующей математическое понятие теоретико-множественного отношения. База данных при этом представляет собой совокупность таблиц. В иерархических базах данных, соответствующих иерархической модели, данные имеют структуру простого дерева, база данных в целом — это совокупность деревьев. Сетевые базы данных организованы как ориентированная сеть, где данные имеют вид ориентированного графа.

Выбор конкретной базы данных зависит от характера выполняемых задач. В соответствии с общими задачами сети наземных измерений должны быть созданы основные базы данных по следующим объектам: воздух, выбросы и отходы, вода и др. Большинство из них целесообразно строить как реляционные. В то же время для картографических систем могут быть использованы базы данных иерархического типа.