Управление в структуре экологического мониторинга

Изучение сущности современных экологических процессов, попытки регулирования природного и природно-техногенного равновесия невозможны без научного управления системами различного масштаба. Схема управления в применении к экологическим системам при анализе ее содержательности переходит в разряд наисложнейших. В настоящее время человеческое сообщество не обладает возможностями, позволяющими решать задачи экологического управления с достаточной полнотой.

Экологическое управление трактуется как сознательная деятельность, но регулированию экосферы в соответствии с практическими целями социума на основе познанных объективных экологических закономерностей естественного или техногенного характера. Экологическое управление осуществляется на базе целевых функций и модельных прогностических параметров с учетом предыдущих и текущих показателей экосистемы и планирования организационно-технических природоохранных мероприятий.

Задачи экологического управления следующие:

• • восстановление исходного состояния экосистемы;
• • перевод экосистемы в другое устойчивое состояние;
• • поиск и поддержка зон устойчивого состояния в экосистеме.

В целом экологическая мониторинговая система решает одновременно две задачи: познания и управления. При этом данные наблюдения и контроля служат и базой для получения новых знаний (рис. 7.9), и обоснованием планирования управления объектом. Чем меньше известно об объекте, тем более совершенным должен быть датчик для извлечения максимальной информации об объекте контроля и управления.

Рис. 7.9. Структура системы регулирования состояния атмосферного.

воздуха региона:

АСУТП — автоматизированная система управления технологическими процессами Достичь экономически эффективного управления качеством природной среды при самых строгих нормах природопользования возможно решением следующих вопросов:

• • какое качество природной среды в комплексных и единичных показателях будет приниматься за нормальное и высокое;
• • к какому уровню качества природной среды следует стремиться при восстановительной природоохранной деятельности с учетом экологической и экономической точек зрения и какими критериями руководствоваться;
• • проведение каких мероприятий необходимо для снижения уровня или полной компенсации вредных техногенных воздействий, уменьшения масштабов или полной ликвидации экологического ущерба и достижения нового, более высокого уровня качества природной среды;
• • какова эффективность и полезность природоохранных, восстановительных или компенсационных действий на длительных временных интервалах (долговременный экологический прогноз);
• • как определять приоритетность действий при столкновении экономических и экологических интересов.

Основные положения об экологическом мониторинге сформулированы в законе РФ «Об охране окружающей среды» [14]. Кроме того, положения о мониторинге имеются во всех природоохранных нормативных правовых актах. К примеру, органы Роспотребнадзора обязаны проводить социальногигиенический мониторинг на территории Российской Федерации в целях обеспечения санитарно-эпидемиологического благополучия населения, что регулируется Положением о проведении социально-гигиенического мониторинга, утвержденным Постановлением Правительства РФ от 02.02.2006 № 60 [37].

В соответствии с законом РФ «Об охране окружающей среды» в России осуществляется государственный мониторинг состояния и загрязнения окружающей среды (государственный мониторинг) и сформирована государственная система наблюдений за состоянием окружающей среды (государственная система наблюдений). В соответствии с Положением о государственном мониторинге состояния и загрязнения окружающей среды, утвержденным Постановлением Правительства РФ от 06.06.2013 № 477, объектами государственного мониторинга являются атмосферный воздух, почвы, поверхностные воды водных объектов (в том числе по гидробиологическим показателям), озоновый слой атмосферы, ионосфера и околоземное космическое пространство. Организацию и осуществление государственного мониторинга обеспечивает Федеральная служба по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды с участием других уполномоченных федеральных органов исполнительной власти, органов исполнительной власти субъектов Российской Федерации и Государственной корпорации, но атомной энергии «Росатом» в соответствии с их компетенцией, установленной законодательством Российской Федерации.

Единая государственная система экологического мониторинга (ЕГСЭМ) создана в России в целях информационного обеспечения управления в области экологической безопасности и рационального природопользования. Данная система включает в себя следующие структурные звенья:

• • измерительную систему (стационарные и передвижные посты экологического контроля);
• • информационную систему, содержащую базы и банки данных санитарно-гигиенической, правовой, медико-биологической и технико-экономической направленности, связанные с единой картографической основой;
• • систему моделирования и оптимизации промышленных объектов;
• • систему прогнозирования и восстановления областей воздействия экологических и метеорологических факторов;
• • систему принятия решений.

Система экологического мониторинга должна иметь возможность наращивания мощности, включения в нее новых постов экологического контроля и дополнительного оборудования. То есть любая локальная система может быть включена в единую систему экологического мониторинга и использована соответствующими службами при выработке управляющих решений, направленных на обеспечение экологической безопасности населения.

Эффективность Единой государственной системы экологического мониторинга обеспечивается достоверностью информации, точностью измерений различных факторов, позволяющих оценить не только состояние окружающей среды (ОС), но и динамику изменения этих факторов.

Измерительная система экологического мониторинга основывается на использовании точечного и интегрального методов измерений с помощью стационарных (стационарные посты) и мобильных (автомобили-лаборатории, аэрокосмические средства) систем. Аэрокосмические средства привлекаются для получения крупномасштабных интегральных показателей ОС.

Информационная система экологического мониторинга функционирует с помощью персональных компьютеров, объединенных в локальные и региональные сети, и позволяет работать с большими массивами разнообразной информации, такими как:

• • экологические паспорта предприятий;
• • гидрометеорологические измерения;
• • измерения концентраций вредных веществ;
• • картографические данные.

На основе анализа и обработки информации выявляются статистические закономерности и строятся прогнозы.

Одной из целей ЕГСЭМ является влияние на источники загрязнения окружающей среды. Система моделирования и оптимизации промышленных объектов позволяет при помощи методов математического моделирования осуществлять управление источниками загрязнения района, в котором проводится экомониторинг. В данном случае под моделированием понимается моделирование технологического процесса, включая модель воздействия па ОС.

Различают модели двух типов:

• • подробные модели, имеющие подробное описание технологических процессов (ТП) и позволяющие оценить влияние отдельных параметров ТП на окружающую среду (на уровне предприятия);
• • эквивалентные модели, связывающие общие показатели работы нромышленного объекта со степенью воздействия на окружающую среду (на уровне администрации района для прогноза: экологической обстановки в зоне промышленного объекта, величины затрат на уменьшение количества вредных выбросов, денежных доходов и расходов предприятия на экологические работы).

Система моделирования и оптимизации промышленных объектов осуществляет выбор оптимальных режимов работы промышленных объектов по различным критериям (минимизация расхода топлива, минимизация вредного воздействия на ОС и т. п.) и состоит из следующих программ:

• • оптимизация выбора режима работы промышленного объекта с использованием экологического критерия;
• • подробное моделирование режимов работы промышленного объекта;
• • моделирование процесса загрязнения окружающей среды (ОНД-86, ОНД-90).

Определяющую роль в ЕГСЭМ играет система прогнозирования и восстановления полей экологических и метеорологических факторов.

Основные задачи, решаемые с помощью этой системы:

• • восстановление, прогноз и оценка характеристик пространственновременных полей факторов, отражающих состояние природной среды по данным измерений;
• • расчет показателей точности восстановления;
• • оценка информативности и проведение расчетов по оптимизации существующих и вновь создаваемых измерительных сетей;
• • выявление основных источников загрязнений и причин изменения состояния ОС с количественной оценкой долей их вкладов в это изменение;
• • определение областей превышения восстанавливаемыми и прогнозируемыми полями заданных критических уровней;
• • отображение данных измерений и картин восстанавливаемых и прогнозируемых полей на фоне карт и планов местности в требуемом масштабе.

Основными задачами мониторинга окружающей среды являются:

• • сбор метеорологических данных и данных о чистоте воздуха;
• • исследование характеристик выбросов макрои микрозагрязняющих веществ от различных источников;
• • описание метеорологических характеристик воздушного бассейна для интерпретации моделей качества воздуха путем анализа имеющейся информации и экспериментального обследования;
• • построение диаграмм распределения загрязняющих веществ в приземном воздухе;
• • определение областей максимального ущерба от энергетических объектов при различных условиях и выдача рекомендаций о размещении этих объектов.

Данные мониторинга используются при градостроительном планировании, подготовке проектной и предироектной документации, планировании хозяйственно-транспортного комплекса, разработке природоохранных мероприятии, создании озелененных территории, проведении оценки воздействия на окружающую среду, моделировании загрязнения окружающей среды, для оценки воздействия загрязнения окружающей среды на здоровье людей и т. д.

Существует множество учреждений, предприятий и людей, которые декларируют высокую экологичность тех или иных проведенных ими мероприятий. Мониторинг — один из самых эффективных инструментов контроля за соблюдением требований природоохранного законодательства и обеспечения экологической безопасности.

Мониторинг выбросов в атмосферу может осуществляться двумя путями 14]:

• • мониторинг окружающей среды, который определяет содержание вредных веществ в атмосфере и контролирует ее текущее состояние;
• • производственный мониторинг, который обеспечивает контроль конкретного источника выбросов.

Системы непрерывного мониторинга выбросов. В последнее время все большее распространение получают системы непрерывного контроля (мониторинга) вредных выбросов (СНМВ) теплоэлектростанций (ТЭС) и других промышленных предприятий в атмосферу. При этом контроль промышленного загрязнения окружающей среды рассматривается как основное средство для оценки производственных объектов и технологий с точки зрения соблюдения экологических требований и нормативов. Такой подход тесно связывает охрану окружающей среды и промышленное производство.

Прямые инструментальные измерения выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух из дымовых груб различных предприятий являются наиболее эффективным способом выявления несанкционированных, залповых и аварийных выбросов, особенно в ночные часы. Результаты измерений являются достаточным доказательством факта сверхнормативных выбросов для привлечения предприятий-нарушителей к ответственности и способствуют реализации принципа неотвратимости наказания.

Проведение непрерывного мониторинга выбросов позволяет снизить негативное воздействие предприятий на окружающую среду за счет обеспечения достоверного контроля вредных выбросов в атмосферу и организации целенаправленной деятельности по их снижению, а также по повышению эффективности работы оборудования путем оптимизации рабочих режимов, модернизации и реконструкции.

Система непрерывного мониторинга выбросов в атмосферу должна обеспечивать:

• 1) непрерывный контроль уровней выбросов, который осуществляется путем измерения текущих концентраций вредных примесей в уходящих дымовых газах ТЭС и определения их массового выброса в заданные временные интервалы;
• 2) обработку, систематизацию и хранение данных. Результаты измерений обрабатываются с целью их приведения к стандартному виду, систематизируются, но видам вредных примесей, поступающих в окружающую среду, но действующему оборудованию и другим показателям, необходимым для достижения целей СНМВ, после чего организуется их хранение в информационной базе СНМВ с целью информационного обеспечения экологической деятельности;
• 3) отображение текущей информации по выбросам вредных веществ и сигнализацию о нарушении режимов работы оборудования. Отображение текущей информации по концентрациям и массовым выбросам вредных веществ производится в табличном, графическом и иных видах для пользователей разных уровней. В случае нарушения режимов работы оборудования и превышения нормативов выбросов вредных веществ выдаются сигналы для оперативного персонала;
• 4) оперативный анализ и диагностику работы основного оборудования путем сравнения концентраций и массовых выбросов вредных веществ с нормативными величинами для выявления причин, по которым произошло увеличение уровней выбросов;
• 5) разработку (на базе проведенного анализа) рекомендаций по оптимизации текущих режимов работы оборудования для снижения загрязнения окружающей среды и повышения экономичности работы;
• 6) ведение статистической отчетности. Статистическая отчетность включает данные по всем видам выбросов за определенные периоды времени и используется для расчета платы за выбросы, для определения приземных концентраций вредных веществ в атмосферном воздухе и др.;
• 7) агрегатирование данных и регламентированный обмен информацией в информационной сети автоматизированной системы экологического мониторинга, а также связь с региональной и другими системами мониторинга для дальнейшего контроля и анализа;
• 8) отображение динамики загрязнения окружающей среды, которое дает возможность проанализировать во времени исчерпание экологического потенциала региона и возможности его промышленного развития, проанализировать влияние финансирования природоохранных мероприятий на состояние окружающей среды и оценить их эффективность;
• 9) прогнозирование потенциального загрязнения окружающей среды путем моделирования уровней выбросов с учетом метеорологических условий, внедрения природоохранных технологий и оборудования, локальных условий промышленного развития и др. с целью предотвращения критических ситуаций и планирования дальнейшего хозяйственного развития региона.

Российский опыт

Москва входит в разряд городов-мегаполисов, для которых особенно актуальна проблема обеспечения экологической безопасности в рамках постоянно увеличивающейся антропогенной нагрузки на окружающую среду. Поэтому в 1996 г. по решению Правительства Москвы начала создаваться Система мониторинга атмосферного воздуха города Москвы.

С 2004 г. работы по экологическому мониторингу в российской столице регулируются специальным Законом города Москвы «Об экологическом мониторинге в городе Москве» [13], регламентирующим цели экологического мониторинга, порядок осуществления работ и основные направления использования данных.

Система мониторинга качества атмосферного воздуха в Москве не является неизменной. Она непрерывно развивается и совершенствуется совместно с развитием города, оперативно реагируя на изменения в градостроительной, промышленной, автотранспортной политике Правительства Москвы и потребностях москвичей.

Основу системы мониторинга качества атмосферного воздуха в Москве составляет сеть из 38 автоматических станций контроля загрязнения атмосферы (АСКЗА), от которых информация об уровне загрязнения атмосферного воздуха передается по каналам сотовой связи в единый информационно-аналитический центр, функции которого выполняет Государственное природоохранное бюджетное учреждение «Мосэкомониторинг». Станции АСКЗА расположены во всех функциональных зонах города, начиная от чистых, фоновых территорий природных парков и заканчивая городскими «очагами» загрязнения — автотрассами. В информационно-аналитическом центре осуществляется хранение, анализ и обработка данных мониторинга.

Полученная таким образом информация является востребованной многими организациями и используется для проведения различных исследований. Прежде всего, информация экомониторинга необходима при анализе связи между загрязнением воздуха и заболеваемостью горожан, а значит, данные мониторинга должны передаваться в Роспотребнадзор.

Еще одна организация, заинтересованная в получении такой информации, — Центр организации дорожного движения. При разработке схем движения необходимо заранее просчитывать экологическую эффективность проектов, чтобы не допустить роста концентраций загрязнителей в зоне жилой застройки.

В соответствии с Федеральным законом «Об охране атмосферного воздуха» [15] в 2008 г. Департаментом природопользования и охраны окружающей среды совместно с Московским межрегиональным технологическим управлением Ростехнадзора, территориальным управлением Роспотребнадзора по г. Москве и Центральным управлением по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды определен перечень промышленных предприятий, оказывающих значительное влияние на загрязнение воздуха в Москве. В перечень вошли 87 промышленных предприятий Москвы, на источниках выбросов которых должны быть созданы автоматизированные системы локального экологического мониторинга (система прямого инструментального измерения выбросов).

Системы измерений промышленных выбросов созданы и уже функционируют на 58 московских предприятиях: на 42 районных и квартальных теплостанциях ОАО «МОЭК», на 11 ТЭЦ ОАО «Мосэнерго», на трех мусоросжигательных заводах и двух табачных фабриках.

Нормирование количества источников выброса на единицу площади, их параметров, а также их массовых выбросов является одним из важнейших природоохранных мероприятий. Для эффективной реализации этого мероприятия требуется знать зависимость значений приземных концентраций, устанавливающихся в процессе рассеяния, от параметров выброса. Ее можно установить экспериментальным или расчетным способом. Экспериментальный способ предусматривает непосредственное измерение приземных концентраций вредных веществ в области рассеяния. Поэтому он пригоден только для действующих объектов. Расчетный способ позволяет найти значения приземных концентраций веществ по известным параметрам источника выброса, основываясь на теоретических и эмпирических предпосылках. Помимо сведений непосредственно о выбросе для расчета приземных концентраций используются такие данные, как метеорологические параметры атмосферы, геометрические характеристики источника выброса, а также всех строений, влияющих на процесс рассеяния исследуемых примесей, что вызывает трудности при проведении расчетов.

При наличии совокупности источников выброса вклады этих источников должны учитываться в расчетах загрязнения воздуха путем использования фоновой концентрации (мг/м³), которая для отдельного источника выброса характеризует загрязнение атмосферы, создаваемое другими источниками, исключая данный. Фоновая концентрация относится к тому же интервалу осреднения (20—30 мин), что и максимальная разовая предельно допустимая концентрация (ПДК). Определение фоновой концентрации производится на основании данных наблюдений за загрязнением атмосферы по нормативной методике. Фоновая концентрация устанавливается либо единым значением, но городу, либо, в случае выявления существенной изменчивости, дифференцированно по территории города (но постам), а также, но градациям скорости и направления ветра. Таким образом, она является реальным показателем качества атмосферного воздуха в различных районах города.

Практический опыт

Рассмотрим практический опыт реализации системы экологического мониторинга на учебно-экспериментальной ТЭЦ НИУ «МЭИ».

На территории Москвы располагается множество ТЭЦ и котельных, оказывающих существенное влияние на окружающую среду. Одной из них является учебно-экспериментальная ТЭЦ Национального исследовательского университета «Московский энергетический институт» (ТЭЦ МЭИ), которая находится в густонаселенном районе Лефортово и входит в структуру МЭИ, располагаясь среди учебных корпусов и общежитий. Поэтому проблема снижения ее вредного воздействия на окружающую среду приобретает одно из первостепенных значений.

На территории, примыкающей к МЭИ, установлены четыре метеорологические станции для измерения температуры, давления, влажности атмосферного воздуха, а также концентрации присутствующих в нем вредных веществ (NO_x, SO_x, СО). На рис. 7.10 представлен вид одной из станций, установленной на отметке обслуживания дымовой трубы ТЭЦ МЭИ, а на рис. 7.11 приведены текущие показания датчиков станций экологического мониторинга.

Рис. 7.10. Одна из станций экологического мониторинга качества атмосферного воздуха в районе ТЭЦ МЭИ

Рис. 7.11. Система мониторинга экологической ситуации

Установленные станции интегрированы в уже действующую систему непрерывного производственного мониторинга вредных выбросов ТЭЦ МЭИ. Полученная информация передается в архив данных системы мониторинга (рис. 7.12) и используется для оценки качества атмосферного воздуха и построения картины рассеивания вредных выбросов от трубы ТЭЦ МЭИ на прилегающих территориях МЭИ с помощью сертифицированной программы «ЭКОЛОГ» с учетом реальной застройки района Лефортово (рис. 7.13).

Рис. 7.12. Архив данных экологического мониторинга

Рис. 7.13. Рассеивание вредных выбросов NOx в районе Лефортово с учетом реальной застройки.

Инструментальные данные от метеорологических станций используются для уточнения и дополнения фактической картины рассеивания, в частности для проведения расчетов максимальных приземных концентраций и предельно допустимых выбросов от ТЭЦ МЭИ с учетом фоновых значений концентраций вредных веществ. Данные измерений от станций экологического мониторинга собираются на едином сервере, архивируются и обрабатываются. Сотрудники и студенты университета имеют дистанционный доступ к архиву и могут работать с данными станций экологического мониторинга. Информацию, получаемую в процессе работы станций экологического мониторинга, планируется размещать в открытом доступе на портале МЭИ для информирования населения об экологической обстановке в районе и экологических показателях работы ТЭЦ МЭИ.