Мониторинг загрязнения атмосферного воздуха спомощью программного комплекса «ЭКОМОНИТОР»

Соколов Э. М., Панарин В.М., Рощупкин Э. В., Зуйкова А.А., Чижова В. Л.
Тульский государственный университет
г.Тула

---

В работе описан программно-аппаратный комплекс «ЭКОМОНИТОР», позволяющий автоматически осуществлять мониторинг состояния атмосферы и анализировать полученные данные.

Научно-техническая деятельность человечества стала ощутимым фактором воздействия на окружающую среду. Тепловое, химическое, радиоактивное и другие загрязнения окружающей среды в последние десятилетия находятся под пристальным вниманием специалистов и вызывают справедливую озабоченность, а иногда - и тревогу общественности. По многим прогнозам проблема защиты окружающей среды в ближайшей перспективе станет наиболее значимой для большинства промышленно развитых стран. В подобной ситуации налаженная широкомасштабная и эффективная сеть контроля состояния окружающей среды, особенно в крупных городах и вокруг экологически опасных объектов, может явиться важным элементом обеспечения экологической безопасности и залогом устойчивого развития общества.

О потребности в автоматизированной системе экологического мониторинга говорится много, вопрос это постоянно звучит в кабинетах и на совещаниях руководителей различного уровня ответственности. С недостаточной, по отношению к требованиям сложившейся современной ситуации, интенсивностью создаются как локальные, так и разветвленные системы.

В промышленном центре России Тульская область – одна из самых индустриальных.

Региональные экологические проблемы области обусловлены, прежде всего, тем, что на сравнительно небольшой ее территории сконцентрировано большое число предприятий машиностроения, применяющие специфические технологии, химической промышленности, крупные металлургические предприятия, большое число тепловых электростанций.

Чистый, здоровый воздух в последние годы становится дефицитным природным ресурсом. В атмосферу выбрасывается 188 наименований вредных веществ, представляющих серьезную опасность для жизни человека. Центром Госсанэпидемнадзора Тульской области на основе анализа 7536 проб воздуха превышение ПДК зафиксированы в 221 пробах (2,9%). Суммарная масса выбросов в атмосферу в 2006 году составила 263,6 тыс. тонн, в том числе от стационарных источников - 168,8 тыс. тонн. Основной вклад в выбросы от стационарных источников вносят предприятия чёрной металлургии 50,2%, электроэнергетики 30,2 %, химической и нефтехимической промышленности 9,3%, ЖКХ-3,0%. На предприятиях области улавливается 606,1 тыс.тонн загрязняющих веществ, из которых 365,1 тыс. тонн утилизируется.

Наибольшая степень улавливания на предприятиях строительных
материалов 99,4 %, химической и нефтехимической промышленности - 73,8 %, электроэнергетики - 81,7 %. Загрязнение атмосферного воздуха по специфике и количеству выбросов значительно различается по районам области.

По данным лабораторного контроля наиболее загрязненными городами по состоянию воздушного бассейна являются города Тула, Алексин, Узловая, Новомосковск, Донской, где регистрируются превышения ПДК по пыли, двуокиси азота, сероводороду, аммиаку, фенолу, формальдегиду.

Основные загрязнители воздуха – предприятия черной и цветной металлургии, энергетики, химического комплекса, машиностроения, автотранспорт. Степень загрязнения воздуха города зависит от количества расположенных на его территории промышленных предприятий, интенсивности их работы, количества автотранспорта. Зависит она и от состояния погоды. Во влажном воздухе часть окислов азота образует азотную кислоту. Чем больше город, тем интенсивнее над ним рассеивание ультрафиолетовых лучей. С уменьшением поступления ультрафиолетовых лучей возрастает бактериальная загрязненность воздуха. Сокращение притока солнечного света замедляет процесс фотосинтеза зеленых насаждений и одновременно уменьшает бактерицидную защиту воздуха.

В настоящее время общепризнанно, что одним из основных загрязнителей атмосферного воздуха, особенно в городах, является автотранспорт - он вносит до 1/3 в общий объем загрязнения атмосферы планеты.

Выхлопные газы образуют от 30 до 90 % и более оксида углерода в воздухе. Выбросы вредных веществ в атмосферу в Туле от стационарных источников и автомобильного транспорта составляют 118,6 тыс. т/год.

Как видно из вышесказанного, проблема чистоты воздуха в городе с повышенной техногенной нагрузкой – проблема комплексная. Очевидно, что в современных условиях для осуществления мониторинга и анализа его результатов наиболее целесообразно применять автоматизированную систему которая позволяет мгновенно получать и анализировать данные с постов осуществляющих замеры.

В Тульском государственном университете был разработан программно-аппаратный комплекс «ЭКОМОНИТОР», который позволяет автоматически осуществлять мониторинг состояния атмосферы и анализировать полученные данные и выполняет следующие функции: сбор, обработку и хранение информации с датчиков контроля; экологический анализ информации; выработку управленческих решений по снижению антропогенных воздействий промышленных предприятий на окружающую среду.

Автоматизированная система экологического мониторинга должна состоять из программной и аппаратной части. К программной части можно отнести программы сбора и отображения экологической информации. К аппаратной части ­– датчики для замера экологических параметров, рабочие станции для управления датчиками и сервер на котором собирается и анализируется информация со всех датчиков.

Современная автоматизированная система экологического мониторинга (исходя из определения мониторинга) может состоять из следующих подсистем:

1. Подсистема сбора информации. Подсистема сбора информации предназначена для снятия информации с датчиков осуществляющих замеры концентрации веществ. Данная подсистема должна располагаться на рабочей станции (компьютере пользователя) и сохранять показания датчиков с учетом времени и даты.

Каждый датчик имеет свой идентификатор Датчик 1, Датчик 2 и т.д. Кроме того, каждый пункт сбора информации имеет свой уникальный идентификатор, который позволяет различить информацию поступающую на сервер по пунктам.

2. Подсистема передачи информации. Подсистема передачи информации предназначена для передачи информации с компьютера пользователя на сервер, на котором в дальнейшем она будет обрабатываться. В связи с тем, что в настоящее время у нас в стране распространено несколько разновидностей коммуникационных каналов, необходимо учесть данную особенность и предусмотреть работу подсистемы сбора в разных режимах соединения с сервером:

- Модемное соединение. Соединение между сервером и рабочей станции осуществляется с помощью модема. Затем, с рабочей станции считываются новые данные и записываются на сервер. После того, как данные будут считаны соединение разрывается.

- Соединение по локальной сети. Если между сервером и рабочей станцией существует локальная сеть, то пот ней можно осуществлять обмен данными между ними. Соединение между сервером и рабочей станции осуществляется посредством сетевых карт. Сервер делает запрос к рабочей станции с указанием её IP-адреса. Затем, с рабочей станции считываются новые данные и записываются на сервер. После чего, считываются новые данные.

- Соединение по сети Интернет осуществляется аналогично соединению по локальной сети. Причем сервер должен иметь постоянный IP-адрес.

- Соединение с помощью GSM-модема, осуществляется аналогично обычному модемному соединению с одной лишь разницей, что рабочая станция связывается с сервером по радиоканалу. На данный момент это самое дорогостоящее соединение из вех приведенных.

3. Подсистема обработки информации и отображения её на электронной карте. Предназначена для оперативного анализа и отображения экологической информации.

Схема автоматизированной системы мониторинга представлена на рис. 1.

Рис. 1 – Схема автоматизированной системы мониторинга

Как видно из схемы, на сервер по различным каналам поступает информация с датчиков. С сервера информацию могут получать операторы использующие систему мониторинга или авторизированные пользователи через сеть Интернет.

В РФ при организации сети ОГСНКА рекомендуется устанавливать стационарные посты в городах из расчета один пост на 10-20 км² в равнинной местности и один пост на 5-10 км² в пересеченной местности. Практика такова, что в большинстве центров имеются 3-6 стационарных постов, в крупнейших 6-20 постов. При площади в 165 км² для г. Тулы следовало бы иметь 8-10 постов.

Для г. Тулы характерен значительный перепад высот (до 70 м) и фланговое расположение наиболее крупных источников загрязнения атмосферы. Более чем в 30% случаев городская атмосфера испытывает влияние температурных инверсий, результатом которых является скопление наиболее загрязненных воздушных масс в нижних воздушных горизонтах. С учетом этого число постов необходимо увеличить еще на 5, итого суммарное число постов наблюдения за загрязнением атмосферы в г. Туле должно быть не менее 15-13.

При выборе места расположения поста, прежде всего, решают, какую информацию нужно получить: уровень загрязнения воздуха в крупном районе или локальные загрязнения в какой-либо точке, находящейся под влиянием выбросов крупного предприятия. В первом случае пост должен быть расположен на хорошо проветриваемом участке, который не подвергается воздействию отдельно стоящих источников выброса. Уровень загрязнения будет передаваться всеми источниками, расположенными на данной территории.

Во всяком случае, пост необходимо размещать в зоне возможного проявления максимальных концентраций примеси. Обычно такая зона находится на расстоянии в 0,25 – 0,5 км от низких источников и в 2 – 4 км от крупных промышленных предприятий с высокими источниками. Посты необходимо устанавливать между жилыми массивами, в парках и зонах отдыха, в центре и на окраинах города.

Однако нельзя не учитывать то обстоятельство, что посты необходимо обслуживать, проводить плановые проверки и ремонт оборудования. Это обстоятельство налагает ограничения на удаление от жилых массивов; компромиссным решением может быть расположение постов непосредственно в жилых массивах, в центрах общественного притяжения (магазинах, офисах и т.п.), места отбора проб воздуха должны находиться на некотором удалении от места расположения приборов.

На выбор месторасположения постов должно оказывать влияние расположение основных загрязнителей относительно селитебной территории. Крупнейшими источниками загрязнения атмосферы являются АК «Тулачермет», ОАО КМЗ, группа машиностроительных заводов, автотранспорт.

АК «Тулачермет» расположено в 4-5 км на восток от центра города и низкие и средней высоты источники выбросов могут оказывать негативное влияние на воздушные потоки, устремляющиеся к городу при восточных ветрах. Воздействие предприятия при инверсиях еще более увеличивает вероятность негативного проявления.

ОАО КМЗ также находится на юго-юго-западном фланге города. Инверсионное влияние может проявляться путем затягивания воздушных масс по коридору р. Воронка.

В городской черте расположены такие крупнейшие источники загрязнения атмосферы как АК «Туламашзавод», ОАО ТОЗ, ФГП «Штамп», группа заводов оборонного профиля, ОАО «ТулКЗ». По городу проходят магистрали автотранспорта, основными из которых являются: пр. Ленина, ул. Волнянского-9Мая – ул. Болдина – ул. Дм. Ульянова; Красноармейский пр.; ул. Октябрьская; ул. Пролетарская; ул. Старо-Никитская; др.

Известный снимок г. Тулы из космоса демонстрирует проявление более плотного воздуха (красный и темно-красный цвет, 22,55 км², 13,5% площади города). Проявления более плотного воздуха, на наш взгляд, характеризует проявление более загрязненного воздуха. С учетом площади проявления более загрязненного воздуха число постов для регистрации этих загрязнений составит 5 (22,5 : 5 = 5). Наши предложения сводятся к выбору мест размещения постов наблюдения таким образом, чтобы выявлять загрязнения воздуха в местах наиболее плотного проживания людей, местах возникновения наибольшего загрязнения от автотранспорта и промышленных предприятий. С учетом частого проявления температурных инверсий посты должны фиксировать начало и продолжительность проявления следов температурных инверсий.

Программная часть комплекса «ЭКОМОНИТОР» позволяет собирать, анализировать, накапливать и отображать на карте экологическую информацию. Система разработана с помощью современных технологий (платформа .NET). Для хранения данных система использовать два вида СУБД Microsoft SQL Server или Oracle.

Датчики входящие в аппаратную часть данной системы, позволяют осуществлять замеры концентрации различных веществ с высокой степенью точности.

Комплекс имеет возможность расширения без внесения изменений в программную часть. Т.е. к нему можно подключать любые датчики имеющие интерфейс обмена информацией с ПК.

Модуль контроля загрязнения атмосферного воздуха может содержит датчики контроля выбросов: оксид углерода (CO), диоксид серы (SO₂), оксиды азота (NO_x), пыли и других газов. Модуль может располагаться как вблизи источников выбросов, так и над социально-значимыми объектами региона - детскими садами, школами, больницами, а также на границах санитарно-защитных зон промышленных предприятий.

В качестве первичных средств измерения концентраций вредных выбросов в атмосферном воздухе будут использованы стационарные газоанализаторы Модуль сбора, накопления и передачи экологической информации предназначен для сбора информации о степени загрязнения окружающей среды и формирования канала связи для передачи на компьютер

Данный модуль строится на базе персонального компьютера, укомплектованного современным программным обеспечением, позволяющим в режиме реального времени получать оперативную информацию о величине загрязнения атмосферного воздуха промышленного региона, моделировать процессы загрязнения атмосферы и отображать результаты моделирования на электронной карте региона в виде полей концентраций вредных веществ (мг/м³) или долях предельно-допустимых концентраций, а также в виде диаграмм, графиков и таблиц по желанию пользователя.

Модуль передает информацию на сервер предприятия, администрации области, природоохранных служб для отображения экологической ситуации в регионе по сети Интернет.

Персональный компьютер представляет собой центр сбора и обработки экологической информации в котором создаётся база данных содержащая информацию о действии различных вредных веществ на здоровье человека и данные о заболеваемости в конкретных районах области.

Цент сбора и обработки информации – центр мониторинга представляет собой сервер с соответствующим программным обеспечением. Здесь обрабатывается информация, поступающая со всех стационарных постов.

Функции центра мониторинга является: сбор и накопление информации, поступающей от информационно-измерительной сети; оперативный анализ текущей экологической обстановки; накопление и архивирование данных измерений и наблюдений, информационный поиск и доступ к архивной информации; математическое моделирование экологических процессов, анализ и прогноз динамики загрязнений; управление режимами работы системы мониторинга.

В данном модуле применяется концепция ГИС-технологий для хранения информации о степени загрязнения атмосферного воздуха предприятиями промышленного региона на электронной карте в виде их географических координат и связанных с ними в базе данных тематических характеристик.

Система оснащена современными техническими и программными средствами для выполнения всего комплекса необходимых операций, включая первичные измерения, сбор, передачу, накопление и обработку измерительных данных, анализ экологической ситуации, поддержку принятия решений по управлению экологической обстановкой, распределение результатов мониторинга между пользователями.

Список литературы

1. Соколов Э.М. Модели оценки и прогноза загрязнения атмосферы промышленными выбросами / Э.М. Соколов, В.М. Панарин, А.А. Зуйкова, В.С. павлова – Тула: Изд-во ТулГУ, 2007. – 155 с.

2. Панарин В.М. Автоматизированные системы экологического мониторинга атмосферы промышленно развитых территорий / В.М. Панарин, А.М. Зякун, А.В. Бизикин, А.А. Зуйкова - Тула: Изд-во ТулГУ, 2006. - 218 с.

3. Рощупкин Э.В. Информационная система сбора и отображения экологической информации в AutoCADMap 2000i//Э.В. Рощупкин, А.В. Бизикин / Известия ТулГУ Серия «Экология и рациональное природопользование». Выпуск 2. – Тула: Изд-во ТулГУ. – 2006. – С. 191-197.

4. Панарин В.М. Компьютерное моделирование распространение загрязняющих веществ в атмосфере / В.М. Панарин, В.С. Павлова, А.А. Зуйкова // Вестник компьютерных и информационных технологий. № 6 (48), 2008. – с.15-18.

5. Соколов Э.М. Автоматизированная система экологического мониторинга атмосферы при выбросах вредных веществ / Э.М. Соколов, В.М. Панарин, А.А. Зуйкова, А.В. Бизикин // «Информационные технологии». №4, 2008. – с. 58-62.

6. Зуйкова А.А. Информационная система поддержки принятия управленческих решений в условиях аварии на химически опасном объекте / В.М. Панарин, Н.Г. Рыжикова, А.А. Зуйкова, Л.В. Котлеревская // Известия ТулГУ. Серия. Экология и рациональное природопользование. Вып.2. – Тула: Изд-во ТулГУ, 2006. – С. 197-202.

---

Назад к списку