Текст книги "Геомониторинг в городском подземном строительстве"

1.11. Измерительные системы экологического мониторинга

Измерительные системы являются основой системы получения данных в экологическом мониторинге. Слежение за химическими, физическими и биологическими аспектами окружающей среды возможно с помощью измерений, проводимых, с одной стороны, для известных вредных веществ, с другой – с помощью живых организмов-биоиндикаторов.

Биоиндикаторы – это организмы или группы организмов, которые реагируют на присутствие вредных веществ появлением изменений своих жизненных функций или аккумулируют вредные вещества. При этом следует учитывать, что определенные растения более устойчивы относительно некоторых факторов, препятствующих, например, росту других видов. Это означает, что исчезнувший вид является настоящим биологическим индикатором. Биологические индикаторы не всегда могут реагировать на все свойства загрязняющего вещества, так как результаты определяются и другими факторами окружающей среды. Например, в холодные дни метаболический обмен веществ более ограничен и, следовательно, действие вредных веществ или их аккумуляция не столь активны, как в теплые дни. Только в редких случаях с помощью биоиндикаторов можно получить данные, которые преобразуются в цифровую форму, поэтому наряду с биоиндикаторами в экологическом мониторинге необходимо использовать физико-химические методы анализа.

Наблюдение за загрязнением природных сред подразделяется на определение дозы вещества в различных средах и на их влияние на различные среды. Измерениям, как правило, предшествует процедура отбора проб. При этом объектами исследования выступают такие среды, как воздух, геологическая среда, почва, вода и биота.

Такой тип объекта исследования, как воздух, подразделяется на сухой, мокрый и смешанный образец, взвешенную пыль, газы и аэрозольные осадки. Вода как объект исследования подразделяется на стоячую пресную воду, текучую воду, зоны смешения морской и пресной воды, море и прочие воды, например, просачивающиеся и родниковые. Просачивающиеся воды включают в себя грунтовые. Почвы подразделяют на антропогенные (городские) и наземные, которые классифицируются согласно их генезису. Биологические пробы подразделяются на животных, растения, грибы, лишайники и бактерии.

Для более точного описания проб воздуха необходимы физико-химические параметры, такие как относительная влажность воздуха, температура и т. д. Для образцов воды важны не только физико-химические параметры, такие как температура, pH, проводимость, содержание кислорода и т. д., но и биологические признаки, такие как биомасса, фитопланктон и зоопланктон. Такой тип образца, как почва, описывается с помощью профильного строения, химических, физических и биологических признаков или с использованием образцов биоты. Ключевые признаки, такие как проницаемость, pH, содержание органического углерода, емкость катионного обмена, деятельность микробов, структура грунта и т. д., также должны быть установлены. Наряду с однозначной таксономической классификацией образцов биоты должны быть известны жизненные этапы (стадии развития), пол, возраст, физиологическое состояние, признаки заболеваний, генетическая и морфологическая изменчивость, так как они, как внутренние факторы, могут иметь решающее влияние на оценку изменений организмов. Генетическая структура может стать решающей как для аккумуляции токсического вещества, так и для резкого проявления вредных воздействий. Важны проверки способности сопротивления вредным веществам. Образцы, чувствительные к другим вредным веществам, являются малоподходящими индикаторами для длительного использования. Следует установить принадлежность к трофическому уровню и обменные связи, так как это делает возможным заключение об интенсивности экспозиции вредных веществ.

Измерения параметров загрязнения природных сред и образцов природных объектов могут проводиться либо непосредственно в полевых условиях, либо в специализированных лабораториях путем анализа отобранных проб и образцов.

Для измерения параметров водной среды, на основе которых формируются гидрохимические показатели качества поверхностных вод, применяются оптические, атомно-спектроскопические, масс-спектрометрические, хроматографические, электрохимические приборы, а также биоиндикаторы. Отдельные измерительные приборы могут группироваться в измерительные комплексы, которые позволяют в конкретных точках водного объекта измерять комплекс гидрохимических параметров. Номенклатура измерительных приборов для определения гидрохимических параметров насчитывает в настоящее время более сотни различных видов и типов как отечественного, так и зарубежного производства. В последнее время для определения различных веществ в водной среде и почве как в полевых, так и в лабораторных условиях применяются анализаторы с ионно-селективными электродами в качестве датчиков. Как правило, такие анализаторы представляют собой современные портативные микропроцессорные приборы для ионно-кондуктометрического анализа природных и техногенных вод.

Для измерения содержания загрязняющих веществ в воздушной среде в системах экологического мониторинга применяются газоанализаторы различного типа. По принципу действия и методам анализа такие газоанализаторы подразделяются на тепловые, магнитные, электрохимические, ионизационные, оптические, полупроводниковые, хемолюминесцентные, флюоресцентные и комбинированные. Верхний предел измерений газоанализаторов не должен превышать стократного значения максимальных разовых предельно допустимых концентраций. С учетом необходимости получения наиболее достоверных данных, достижения наивысшей чувствительности и селективности, а также опыта эксплуатации наибольшее распространение получили газоанализаторы непрерывного действия для контроля в атмосфере вредных примесей, основанные на использовании следующих методов (табл. 1.4):

Таблица 1.4

Среди современных измерительных средств, которые с успехом можно применять в системах экологического мониторинга для измерения содержания загрязняющих веществ в атмосферном воздухе без отбора проб, следует отметить оптические трассовые газоанализаторы. Обнаружение и измерение примесей в воздушной среде основано на регистрации их линий поглощения в спектрах прохождения света через исследуемую среду.

Индивидуальность спектров поглощения для каждого вещества дает возможность выделить вклад каждой составляющей из общего спектра и определить ее общее содержание на трассе измерений, образуемой источником и приемником излучения. В качестве источника может использоваться как специальный осветитель, так и солнечный свет, прямой либо рассеянный атмосферой. Приемник может быть расположен на транспортном средстве либо установлен стационарно. На ряде серийно выпускаемых образцов трассерных газоанализаторов приемник и излучатель смонтированы вместе в одном блоке. В этом случае измерительные трассы образуются сетью уголковых оптических отражателей. Длина трассы, на которой можно осуществлять измерения концентрации загрязняющих веществ на уровне их предельно допустимых концентраций (ПДК), составляет от 100 до 1000 м. Характеристики трассерного анализатора представлены в табл. 1.5.

Таблица 1.5

Типичные характеристики трассерного анализатора, мг/м3

В практике создания систем экологического мониторинга получили распространение автоматизированные системы контроля воздушной среды на базе стационарных и передвижных постов наблюдения. В нашей стране наиболее известна система типа АН КОС и ее последняя версия АНКОС-АМ. Автоматизированная система контроля за загрязнением воздуха типа АНКОС-АМ, основные характеристики которой показаны в табл. 1.6, предназначена для автоматизированного сбора и обработки информации об уровнях загрязнения атмосферного воздуха в промышленных центрах и регионах. Система имеет двухуровневую структуру. На нижнем уровне АНКОС-АМ содержит стационарные и передвижные станции наблюдения, на верхнем уровне находится центр обработки информации. В павильон каждой станции входят следующие технические средства: система жизнеобеспечения (освещение, вентиляция, отопление, кондиционирование, система пожаротушения); мачтовое устройство на крыше павильона с комплектом метеодатчиков; комплект газоанализаторов; управляющий контроллер со средствами передачи данных.

Таблица 1.6

В центре обработки находится рабочее место диспетчера на базе ПЭВМ, программное обеспечение которого позволяет вести: обработку и хранение информации, поступающей от автоматических и полуавтоматических звеньев системы; оперативную оценку по критериям ПДК; формирование отчетных материалов; управление работой системы; управление передачей данных потребителю.

Передача данных в системе осуществляется по телефонным коммутируемым или некоммутируемым линиям связи. Аппаратура передачи данных функционирует автоматически и обеспечивает: централизованный сбор данных от станций; получение данных от внесистемных источников; сохранность поступающих данных при отказах аппаратуры рабочих мест.

Аналогичные системы выпускаются зарубежными фирмами, например итальянской фирмой Rancon, германской фирмой Antechnika, американской фирмой Тепло Environmental и др. Дополнительно, как правило, в автоматизированные посты контроля эти фирмы включают еще и автоматические пробоотборные устройства, которые позволяют провести анализы отобранных проб воздуха в лабораторных условиях.

Передвижные лаборатории обладают рядом преимуществ перед стационарными, так как позволяют расширить контролируемую территорию при том же объеме измерений и обеспечить оперативный контроль точечных источников выбросов. Такие станции помимо автоматических газоанализаторов комплектуются переносными приборами для оперативного контроля за вредными компонентами в воздушной среде.

Для измерения параметров и состояния геологической среды (литосферы) применяется широкий спектр методов и измерительной аппаратуры. Это связано с тем, что измерениям подлежит поликомпонентная среда, включающая в себя горные породы, подземные воды и геологические (ЭГП) и инженерно-геологические (ИГП) процессы, которые существенно отличаются динамикой своего развития. При этом принципиально важной спецификой литомониторинга является его ярко выраженная индивидуальность для каждой территории. Содержание мониторинга, набор изучаемых параметров среды и набор применяемых методов подлежит персональной разработке в каждом конкретном случае в зависимости от геологического строения территории, перечня развитых природных и антропогенных геологических процессов и характера техногенной нагрузки. Так, при гидротехническом строительстве наблюдение ведется за фильтрационными потерями, подъемом уровня грунтовых вод в зоне влияния водохранилища, динамикой перестройки его берегов. С горнодобывающей промышленностью связано изучение формирования депрессионных воронок, в основном водоносных горизонтов, контроль за оседанием земной поверхности и провальными явлениями, проявлением горных ударов и выбросов метана. Понятно, что мониторинг этих территорий будет существенно различен по объектам наблюдения и используемым методам. Кроме того, следует иметь в виду, что литомониторинг может быть как фоновым и изучать только природную литосистему, так и природно-техническим, в ходе реализации которого исследуются последствия функционирования литотехнических систем. Литомониторинг может быть комплексным или направленным на изучение только одного, но определяющего для данной территории процесса. Примером может служить практика организации мониторинга в оползнеопасных районах (Черноморское побережье Кавказа и Крыма, Молдова и др.). Здесь ведущими методами контроля и наблюдения за оползневым процессом являются повторные (с определенной периодичностью) агрокосмические исследования с применением черно-белой, много– и спектрозональной съемок и периодическое нивелирование оборудованных реперами створов. При этом вне зависимости от изучаемого природного или антропогенного геологического процесса принципиальная схема организации и ведения мониторинга может быть единой (рис. 1.8).

Рис. 1.8. Схема организации и ведения мониторинга геоэкологических процессов

Представление об основных современных аналитических методах о пре делен ия элементов дает табл. 1.7. При изучении физических полей широко используются различные технологические геофизические комплексы (табл. 1.7). Особая роль принадлежит методам радиометрии. Они могут выполняться как аэро-, автогамма-спектрометрическая и пешеходная гамма-съемка и постдезактивационный контроль. Радиолокационное зондирование базируется на применении современных георадаров, с помощью которых возможно проводить зондирование в скважинах диаметром до 56 мм.

С учетом сказанного рассмотрим ряд измерительных средств, которые следует применять при создании литомониторинга. Гидро– и литохимические анализы проводятся на потоках рассеивания элементов и дают информацию о составе и объеме токсикантов в анализируемом субстрате. Среди физических методов контроля (ядерно-физических, лазерно-флюоресцентных, ядерно-магнитного резонанса) слабый интерес представляют методы лазерной спектроскопии с помощью лазерных анализаторов-лидаров, обеспечивающих возможность проведения дистанционного контроля за качественным и количественным составом токсиканта.

Таблица 1.7

Основные методы определения элементов

Среди геодезических методов контроля за вертикальными и латеральными (горизонтальными) смещениями объекта исследований наряду с традиционными инструментальными следует отметить лазерные методы и систему GPS. Последняя представляет собой глобальную систему позиционирования (Global Position System) и относится к последним разработкам в области космической геодезии. На ее базе разработана методика, получившая название «дифференциальный метод GPS» и позволяющая обеспечить высокую точность позиционирования (доли сантиметра). Это открывает возможности использовать метод при организации наблюдений за геодинамическими процессами. Его несомненное преимущество перед всеми остальными геодезическими методами контроля и измерениями – возможность получения непрерывной записи динамики исследуемого параметра (перемещения объекта по двум координатам и во времени).

11.12. Технические средства экологического мониторинга

Технические средства экологического мониторинга для прогнозирования чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера весьма разнообразны. В их число входят контактные и дистанционные средства измерений, а также индикаторы и экспресс-тесты.

Контактные средства мониторинга предназначены для обнаружения одиночных источников экологической опасности и локальных загрязнений окружающей среды. Они позволяют отбирать пробы природных объектов в конкретных точках местности и производить последующий анализ их в подвижных или стационарных лабораториях.

Перспективным направлением совершенствования контактных средств экологического мониторинга является широкое внедрение методов экспресс-анализа без отбора проб. В качестве таких датчиков можно использовать:

• переносные аналитические приборы для капиллярного электрофореза, газовой или жидкостной хроматографии, хромато-масс-спектрометрии и др.;

• системы химических сенсоров (преобразователей), непрерывно и обратимо регистрирующие содержание какого-либо компонента среды;

• средства для экспресс-тестов (индикаторные бумаги, полоски, трубки, таблетки, порошки, растворы в ампулах и капельницах, биоиндикаторы и биотесты).

Новыми техническими средствами мониторинга в МЧС РФ в настоящее время являются: укладка эколога, подвижные и стационарные лаборатории, судовые лаборатории.

Укладка эколога предназначена для оснащения экологических служб военных округов, флотов, объединений видов ВС РФ, отдельных объектов ВПК и экологических лабораторий космодромов и полигонов. Ее достоинствами являются небольшие габариты (26x36x106 см) и масса (16,5 кг), модульность конструкции и удобство применения.

Модульность конструкции позволяет осуществлять раздельное применение технических средств для отбора и анализа проб почвы, воды, воздуха как в составе укладки, так и в составе подвижных и стационарных лабораторий.

В состав укладки входят следующие основные модули:

• «ПОЧВА» – для отбора проб почвы (масса около 5,0 кг);

• «ВОЗДУХ» – для отбора проб и экспресс-анализа выбросов приоритетных загрязняющих веществ в атмосферном воздухе (масса около 3,0 кг);

• «ВОДА» – для отбора, консервации и экспресс-анализа проб воды и донных отложений (масса около 4,5 кг);

• «ТЕРМОКОНТЕЙНЕР» – для консервации, охлаждения, транспортировки проб воды и почвы (масса около 3,0 кг).

Кроме того, в состав укладки входят планшет со вспомогательными средствами измерения и регистрации и жилет для ношения предметов общего назначения.

Судовая лаборатория «ГВОЗДЬ-К» разработана для контроля загрязнения водных объектов. Она позволяет производить контроль приповерхностного слоя воды, отбор проб из придонного слоя и донного грунта, а также с любого водного горизонта. В состав судовой лаборатории входят центральная вычислительная система, система спутниковой навигации, комплекс устройств для дистанционного обнаружения пленок нефтепродуктов и измерения их толщины, а также комплект оборудования для проведения гидрохимического анализа.

Дистанционные средства мониторинга реализуют такие способы мониторинга, как наблюдение за позиционным районом опасного объекта или территории, где возможно развитие чрезвычайной ситуации, и способны достоверно обнаруживать появление и оценивать масштабы отрицательных экологических явлений.

Все наземные средства экологического мониторинга имеют ограничения по дальности действия. Контроль и наблюдение с их помощью за состоянием окружающей среды даже на относительно небольших территориях требуют создания дорогостоящей разветвленной сети. От этих недостатков свободны авиационные средства экологического мониторинга, которые дистанционно позволяют получать портретные, графические и математические модели ландшафтов позиционных районов. Портретные модели представлены в основном фотографическими, телевизионными и сканерными изображениями. Графические модели представляют карты, схемы дешифрирования космических снимков, блок-схемы, профили и графики.

Достоинствами космических средств для экологического контроля являются оперативность получения глобальной информации из труднодоступных районов, высокая периодичность ее поступления, возможность съемки в различное время суток в широком диапазоне электромагнитного спектра излучения и т. д.

Спутники видового наблюдения из космоса обеспечивают получение высокодетальных визуальных изображений подстилающей земной поверхности. В зависимости от физических принципов формирования изображения средства наблюдения подразделяются на фотографические, оптико-электронные, радиолокационные, инфракрасные и комбинированные.

Основным достоинством радиолокационных средств является всепогодность и возможность наблюдения в любое время дня и ночи, в то время как фотографические и оптико-электронные средства могут вести наблюдение только в дневное время, при наличии достаточной освещенности и угле места Солнца, превышающем 5-10°, а также при отсутствии или малой облачности.

Изображения, которые доставляются с борта космического аппарата на наземный комплекс обработки информации, подвергаются предварительной технической обработке и последующей тематической обработке; их сущность определяется задачами, поставленными на наблюдение. К числу таких задач относятся:

• обнаружение очагов лесных пожаров;

• обнаружение нефтяных пятен на акваториях, мест разрывов нефтепроводов;

• оценка уровня загрязнения подстилающей поверхности;

• определение изменений характера растительного покрова;

• оценка загрязнений водных ресурсов;

• определение наличия облаков антропогенного происхождения;

• обнаружение зон затоплений, разливов и т. д.

Основными направлениями применения активных орбитальных радиолокационных средств являются контроль окружающей среды, экологическое картографирование и создание геоинформационных систем. 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. 1.8.

Особое значение приобретают космические средства для экологического контроля загрязнения атмосферы. Тепловой баланс Земли в значительной степени зависит от отражательной способности ее атмосферы, которая возрастает с увеличением концентрации аэрозолей.

Таблица 1.8

Требования к дистанционным средствам космического мониторинга

Примечание: * – минимальный размер объекта наблюдения, который способен устойчиво обнаружить оператор-дешифровщик.

В результате все большая часть солнечной энергии не достигает земной поверхности, отражаясь от атмосферы в космическое пространство. Еще более существенное воздействие на тепловой баланс Земли и соответственно на ее климат оказывает повышение в атмосфере концентрации диоксида углерода, оксида углерода, а также других газообразных и пылевых продуктов, порожденных деятельностью человека.

Проблема мониторинга динамики параметров атмосферы неразрывно связана с исследованием процессов в атмосфере Земли, которые имеют глобальные масштабы. Поэтому применение спутниковых методов для изучения строения и состава атмосферы, особенно динамики ее загрязнения, представляет собой объективную необходимость.

Пассивные методы можно разбить на следующие основные группы:

• методы измерения прозрачности атмосферы для прямого излучения Солнца, Луны, звезд;

• методы измерения отраженного и рассеянного земной поверхностью и атмосферой излучения;

• методы измерения уходящего теплового излучения;

• минимальный размер объекта наблюдения, который способен устойчиво обнаружить оператор-дешифровщик.

Метод измерения поглощения атмосферой излучения Солнца, Луны или звезд (метод затменного зондирования) эффективно используется для определения профиля озона в диапазоне высот 50-110 км. Указанный метод позволяет устанавливать концентрацию и вертикальное распределение ряда оптически активных компонентов верхней атмосферы, имеющих достаточно сильные полосы или линии поглощения в удобных для наблюдения участках спектра. Измерения проводятся в УФ-диапазоне с использованием аппаратуры, имеющей спектральное разрешение порядка 50 нм, 0,006-0,008 нм, 1 нм и принимающей излучение звезд и Солнца.

Активные спектрально-оптические методы дистанционного мониторинга атмосферы основаны на использовании процессов поглощения, рассеяния и флуоресценции, возникающих при прохождении излучения искусственного источника (лампы или лазера) через атмосферу.

Лазерная система с импульсным источником излучения (лидар) широко используется для зондирования облаков и аэрозолей как в тропосфере, так и в стратосфере. Айдары применяются для экологического мониторинга дымовых шлейфов и аэрозольных дымок, исследования пограничного слоя атмосферы, в которых аэрозоль играет роль трассера, исследования переноса радиации и физики облаков, мониторинга вулканических эффектов в стратосфере.

Спутниковые измерения являются в перспективе наиболее эффективным средством для осуществления наблюдения за распространением загрязнений от естественных и антропогенных источников.

В целях дистанционного определения состава горячих газообразных загрязнений от стационарных и подвижных источников, таких, как дымовые трубы или реактивные двигатели, разработан метод гетеродинного обнаружения. Сущность его заключается в следующем: термически возбужденное излучение на колебательных переходах молекул загрязняющих веществ, лежащих в ИК-области, смешивается с излучением гетеродина – перестраиваемого лазера, имеющего такую же частоту. Меняя длину волны лазерного излучения таким образом, чтобы она проходила через спектр линий поглощения загрязняющего вещества, получают частоту биений, когда разность частот этих двух сигналов соответствует полосе пропускания приемника.

Для заблаговременного обнаружения источников чрезвычайных ситуаций может быть использована методика российских ученых, связанная с дистанционным воздействием на исследуемый объект пучками ускоренных заряженных частиц (например, дейтронов) и измерением параметров вторичного излучения. Последующая компьютерная обработка позволяет определять состав вещества и структуру контролируемого объекта. Состав вещества определяется в считаные минуты с точностью до миллионной доли процента по каждому входящему в него элементу. При этом объект может быть удален на десятки и даже на сотни метров в воздухе, а в космосе – на сто и более километров. С помощью этой аппаратуры, которая может размещаться в автомобилях, самолетах и на спутниках, можно контролировать ядерные объекты и даже стихийные бедствия. Так, измерение возмущений геомагнитного поля – предвестников землетрясения за двое-трое суток предупредит о приближении стихийного бедствия. При этом отклонение от эпицентра составит около 100 км.

Многообразны задачи, которые можно решить с помощью многоцелевых ускорительных средств:

• экспресс-анализ состава воздуха, воды, почвы;

• контроль износа и коррозии критических элементов трубопроводов, машин, механизмов и т. д.;

• контроль за ввозом и вывозом ядерных делящихся материалов, взрывчатых, токсичных, других биологически опасных веществ и т. д.;

• контроль ядерного оружия на орбите;

• прогноз землетрясений, цунами, тайфунов;

• контроль состава верхних слоев атмосферы и ионосферы;

• определение состава космических тел (метеоритов, комет и т. д.).

Малая интенсивность используемого пучка делает такой контроль не разрушающим исследуемый объект.

Космические снимки позволяют создавать блоковые модели истории формирования, динамики и прогноза развития ландшафтных систем на региональном и локальном уровнях; отражают реальную картину загрязнений, распространения процессов опустынивания и т. п. Однако на изображениях не видны многие признаки состояния растительности, которые могут быть получены лишь в результате локальных наземных исследований.

Объединение дистанционных и контактных средств экологического мониторинга в единую систему позволяет повысить оперативность получения и достоверность информации, необходимой для оценки экологической обстановки в районе расположения опасного объекта.