Дистанционный экологический мониторинг крупных промышленных центров

Сегодня, пожалуй, самым популярным термином, употребляемым в специальной и научно-популярной экологической литературе, является «мониторинг». Как правило, под ним понимается наблюдение, оценка и прогноз состояния окружающей среды в связи с хозяйственной деятельностью человека. Часто этим словом определяются различного рода мероприятия по режимному обследованию объектов экологических исследований — крупных промышленных центров, горнодобывающих предприятий, продуктопроводов, лесов, полей и рек…

Мониторинг бывает разный…

Понятие мониторинга природной среды сформировалось в середине 1970-х гг. и получило широкое распространение как в нашей стране, так и за рубежом. В настоящее время в мире развиваются в основном три типа систем экологического мониторинга:

• на базе стационарных комплексных станций слежения (принята в настоящее время на Западе и является, с нашей точки зрения, особенно в условиях остаточного финансирования, крайне затратной, поскольку требует густой сети дорогостоящих датчиков, системы передачи информации и единого мощного обрабатывающего центра);
• сетью комплексных передвижных наземных лабораторий (используется в России и странах СНГ и по сути позволяет осуществлять лишь выборочный контроль как по составу загрязнителей, так и по охватываемой территории);
• дистанционный, выполняемый на основе комплексных аэросъемок (дает возможность за короткое время получать информацию для значительных территорий, однако не позволяет выявлять аварийные ситуации);

Таким образом, с учетом конкретных экономических условий наиболее эффективной представляется комбинация первой и третьей форм экологического мониторинга, когда непрерывные наблюдения системой стационарных станций, размещенных по достаточно редкой сети, сопровождаются регулярными (лучше всего — сезонными) комплексными дистанционными съемками. Аэросъемки не имеют альтернативы по производительности и минимизации затрат на единицу площади при широком спектре регистрируемых параметров. Мониторинговые работы в данном случае подразумевают, как правило, регулярные сезонные площадные аэросъемки промышленных центров и городских агломераций масштабов 1:10000 — 1:25000.

Состав комплекса дистанционного экологического мониторинга.

Создание ГНПП «Аэрогеофизика» системы дистанционного экологического мониторинга связано прежде всего с выполнявшимися нами большими объемами аэрогамма-спектрометрических съемок территорий, подвергшихся радиационному загрязнению после аварии на Чернобыльской АЭС. Именно тогда станция McPhar II, ранее использовавшаяся при картировании неосвоенных территорий для решения геолого-поисковых задач, была задействована в густонаселенных районах, в том числе в городах. Тут-то и возникла идея дополнить бортовую систему аппаратно-техническими средствами регистрации более широкого набора параметров, характеризующих состояние исследуемой территории.

Анализ спектра имевшихся тогда в стране пригодных для этой цели приборов, равно как и методические проработки возможности их совместного использования с имевшейся системой, подвели нас к принципиальной возможности определения состояния воздушной среды, а именно газовых компонент и атмосферных аэрозолей, в основном и обуславливающих ее загрязнение.

Среди разного рода газоанализаторов, большая часть которых определяет концентрации газов в точке расположения приборов или систем их воздухозабора, мы остановили свой выбор на трассовых, как более отвечающих идеологии дистанционных зондирований. Большой вклад в создание методики применения таких систем в аэроварианте внес сотрудник ИФА РАН Пугачев Н.С., а позднее Либерман А.А. и Гурари М.Л. (ВНИИОФИ), выполнившие ряд разработок по созданию семейства корреляционных спектрофотометров — трассовых газоанализаторов на NO₂ и SO₂. Именно на этих приборах мы остановили свой выбор, как надежных, высокочувствительных, помехоустойчивых и корректно работающих. Совместно разработанная методика газовых аэросъемок с использованием рассеянного солнечного излучения позволяет определять концентрации регистрируемых газов в оптическом конусе угла зрения приборов (3 ) ниже высоты полета, то есть фиксировать загрязнение именно приземного слоя атмосферы.

Одновременно нами в содружестве со специалистами ИКИ и НИВХИ им. Карпова были выполнены разработки системы отбора проб атмосферного аэрозоля на особочистые фильтры Петрянова (пробоотборник УСА-1), методики пробоотбора при проведении площадных аэросъемочных работ и определены требования к пробоподготовке и последующему лабораторному химическому анализу.

Первые опытно-методические работы по газовой и аэрозольной аэросъемкам были выполнены осенью 1991г. в Москве.Тогда же была проведена аэрогамма-спектрометрическая съемка города. За ними последовали летняя съемка 1992г. и зимняя 1993г., что позволило говорить уже о сезонном мониторинге территории столицы. В 1993г. — комплексные работы на территории Норильской промышленной зоны, включая сам город, комбинат и разрабатываемые по соседству месторождения. В 1995г. — двухсезонные (январь, август) комплексные съемки( вместе с тепловой инфракрасной аэросъемкой) города Тулы по заказу Администрации города. В марте 1996г. по заказу Москомприроды была выполнена съемка Москвы полным комплексом, включая ИК аэросъемку. Причем в дальнейшем планируется выполнение полного цикла сезонных мониторинговых работ и последующая их комплексная обработка.

В состав аэрогеофизического комплекса дистанционного экологического мониторинга, разработанного в ГНПП «Аэрогеофизика» и применяемого в производственных масштабах, входят газовая аэросъемка с определением концентраций NO_2, SO_2, CH₄ в приземном слое атмосферы; аэрозольная аэросъемка с определением концентраций элементов-загрязнителей в атмосферном аэрозоле; аэрогамма-спектрометрия с картированием характера и степени загрязнения исследуемой территории естественными и искусственными радионуклидами.

Комплексные экологические аэрогеофизические съемки выполняются на вертолете МИ-8Т по сети прямолинейных маршрутов с интервалом 100 — 250 м между ними. Высота съемочых полетов — 150 м — определяется интервалом от минимально разрешенной до максимально допустимой по методике крупномасштабных аэрозольных съемок. Работы выполняются в относительно стабильной метеорологической обстановке, т.е. при ветре не более 5 м/с и влажности до 90 %.

Для проложения маршрутов и плановой привязки результатов работ используется система космической навигации GPS+GLONASS (наша разработка на базе приемника GG-24 фирмы ASHTECH).

Все виды выполняемых аэросъемочных работ лицензированы Роскартографией и Министерством природных ресурсов.

Газовая аэросъемка выполняется с использованием цифровых высокочувствительных трассовых газоанализаторов на NO₂, SO₂, и СH₄ (с возможностью расширения этого меню). Приборы предназначены для оперативного измерения суммарной концентрации газов вдоль установленной трассы (направления) и определения средней концентрации по рассчитанной или заданной длине этой трассы. При этом погрешность измерений составляет не более 15%.

В результате строятся карты концентраций анализируемых газовых компонент, детально иллюстрирующие интегральные уровни загрязнения воздушной среды в период проведения аэросъемки.

Аэрозольная аэросъемка. Методика отбора проб атмосферного аэрозоля реализована таким образом, что одна проба характеризует элемент исследуемой площади размером от 2*2 до 1*1 км. Проба содержит от одного до четырех фильтров в зависимости от числа маршрутов, проходящих над данным элементом площади, при этом в состав одной пробы включаются фильтры, отобранные в разные дни с разных маршрутов (в течение одного съемочного дня по разреженной сети закрывается вся территория города). Подобная технология позволила практически исключить возможность внесения систематической погрешности в результаты измерений. Время экспозиции одного фильтра составляет около 60 секунд, что с учетом степени средней загрязненности городской атмосферы обеспечивает навеску на фильтр от сотен и десятков (К, Аl, Fe, Рb) до сотых долей (Со, Мn и др.) мкг/пробу. Смена фильтров в процессе полета выполняется автоматически.

Отобранный на фильтры аэрозоль анализируется в лабораторных условиях атомно-абсорбционным и атомно-эмиссионным с индуктивно связанной плазмой анализами на определение концентраций в нем до 60 химических элементов. Лабораторным исследованиям на определение концентраций химических элементов-загрязнителей подвергаются также и фоновые фильтры (2-3% от общего количества).

В результате заказчики получают набор карт распределения в атмосферном аэрозоле элементов-загрязнителей, а также суммарной аэрозольной компоненты.

Аэрогамма-спектрометрическая съемка выполняется по стандартной методике с использованием 512-канального цифрового спектрометра с полисциновыми детекторами NaJ(Tl) фирмы EXPLORANIUM объемом 48л., позволяющими получить энергетическое разрешение по линии 0.662 Мэв (Cs^{137) — 9%.}

По результатам съемки строятся карты распределения естественных (K, U, Th, Rn²²²) и искусственных (Cs¹³⁷ ) радионуклидов.

Уникальная аппаратура и оригинальная технология обработки данных, разработанные в «Аэрогеофизике», позволяют выполнять по данным аэрогамма-спектрометрии картирование распределения на изучаемой площади локальной составляющей свободного радона, контролирующего геодинамические зоны (зоны современных разломов). Подобная информация представляет ценность при инженерно-изыскательских работах, а также при определении мест первоочередного контроля службами санэпиднадзора подвальных помещений уже построенных зданий.

Не смотря на то, что все виды аэросъемочных работ могут выполняться отдельно, именно совместное, комплексное их использование дает максимальный эффект при минимизации затрат (авиация оплачивается один раз). При этом необходимо иметь в виду, что в зависимости от конкретно решаемых задач комплекс может быть дополнен, например, тепловой ИК-аэросъемкой и другими аэрогеофизическими методами.

Материалы дистанционных комплексных аэросъемок передаются заказчикам как на бумажном носителе, так и в электронном виде в любом требуемом формате, в том числе в виде готовых слоев ГИС.

Что же дальше?

В конечном счете смыслом дистанционного экологического мониторинга является формальное обоснование управленческих решений, направленных на управление качеством жизни населения. При этом в распоряжении лица, принимающего решение, должны иметься разнообразнейшие данные о состоянии окружающей среды (земли, воды, воздуха…), пространственно привязанная информация, характеризующая качество жизни населения и пр. Очевидно, что принятие управленческих решений подразумевает установление взаимно однозначной связи между характером и степенью загрязнения территории и характеристиками качества жизни населения. Однако в силу целого ряда объективных причин это не так просто. Во-первых, состояние окружающей среды определяется присутствием очень большого числа загрязнителей, только в аэрозоле воздуха в настоящее время мы в состоянии определить концентрации до 60 элементов и ряда газовых компонент. Определить, какие именно из них и в каких комбинациях оказывают решающее воздействие на здоровье населения, представляется весьма сложной задачей. Во-вторых, как отмечалось выше, воздушная среда весьма динамична по отношению к присутствующим в ней примесям. Загрязнители из разных источников могут перемещаться ветром, вступать в реакции, образуя новые соединения, связываться и выноситься водой или почвой. В третьих, на состав и устойчивость загрязнителей оказывают существенное влияние ландшафтно-геологические условия, способствующие накоплению одних и выносу других химических элементов и соединений. В четвертых, качество жизни населения определяется не только и не столько характером и степенью загрязнения окружающей среды, но и в значительной степени — социальными факторами (известно, что даже качество местной водки влияет на продолжительность жизни населения…).

Выходом из этой непростой ситуации может послужить использование специальных математических методов и средств целевой обработки данных, облегчающих решение поставленной задачи. При этом сама структура возникающих проблем диктует необходимость использования методов вероятностно-статистического анализа. Полная технология такого анализа была разработана и частично апробирована нами при целевой обработке материалов комплексной экологической аэросъемки г. Тулы сезонов 1995-96 гг. совместно с показателями качества жизни населения города (статистические данные ЗАГС за 3 года). При этом главной особенностью указанной технологии является использование ряда последовательных шагов (процедур) анализа, каждый из которых предназначен для решения конкретной группы задач и приближает нас к достижению конечной цели.

Первым и главным шагом является операция, позволяющая уменьшить размерность исходных данных о состоянии окружающей среды, по возможности без потери информативности. С помощью этой операции может быть выполнено ландшафтно-геологическое районирование исследуемой площади, определены наиболее устойчивые комбинации основных загрязнителей и их распределение на территории города. Наиболее удобным средством осуществления этого цикла анализа, по нашему мнению, является метод Главных компонент.

В отдельных случаях при решении задачи геолого-ландшафтного районирования может оказаться полезным использование специальных процедур математической обработки данных о распределении какой-либо одной из измеряемых компонент. Так при анализе данных о концентрации свободного радона представляется реально решаемой задача выделения тех разломов в земной коре, по которым он поступает в атмосферу. Для этой цели используются алгоритмы фильтрации физических полей.

На втором шаге обработки данных выполняется комплексный анализ показателей качества жизни с целью их структурирования и определения комбинаций, в большей степени обусловленных воздействием окружающей среды. Это может быть повышенный фон заболеваемости специфическими болезнями, изменения возрастной структуры населения, неблагоприятная структура смертности населения как по возрастным группам, так и по причинам, и т.п. Очевидно, что эта работа должна выполняться с привлечением санэпиднадзора и органов здравоохранения. Для решения перечисленных задач наиболее всего подходят методы многомерного статистического анализа, включая факторный анализ. Аналитически указанные алгоритмы аналогичны описанному выше методу Главных компонент.

Задачами третьего шага комплексной обработки данных является адресная привязка выявленных областей повышенного фона загрязнения к возможным источникам, что в принципе позволяет говорить об определении зон ответственности производственных комплексов и предприятий за загрязнение воздушной среды, и установление характера и степени взаимосвязи между загрязнением территории и показателями качества жизни. Здесь могут быть использованы методы множественного корреляционного и регрессионного анализа, а также дискриминантный анализ.

Завершается работа анализом возможных альтернативных путей разрешения сложившейся ситуации. В принципе вред, наносимый окружающей среде, можно оценить в натуральном и денежном выражении через потери в трудоспособной части населения (за счет повышенного фона заболеваемости и смертности). Материальные потери могут и безусловно должны быть компенсированы предприятиями, ответственными за загрязнение. Далее возможны два пути: разработка программ по приоритетному обустройство очистных сооружений, либо закрытие предприятий. При этом второй путь влечет за собой дополнительный комплекс социальных проблем и затрат. В конечном счете должна выбираться стратегия, обещающая максимальный эффект на ближнюю или дальнюю перспективу. В данном аспекте поставленная задача может быть успешно решена в рамках теории графов. Таким образом, задачей лица, принимающего решение, будет лишь анализ возможных альтернатив развития ситуации и выбор наиболее рационального пути с учетом всего спектра факторов.

С нашей точки зрения, наиболее оптимальным комплексным решением всего спектра проблем и задач, возникающих на пути от проведения съемок до их анализа должно явиться создание целевой геоинформационной системы «Экология-здоровье» со встроенными функциями обработки многомерных данных, включая материалы наземных исследований и базы данных по городской статистике. Именно, будучи размещенными в такой ГИС, материалы дистанционного экологического мониторинга с наибольшей отдачей позволят реализовать ту часть термина «мониторинг», которая подразумевает прогноз экологической ситуации города.