Совершенствование системы управления охраной окружающей среды

Во исполнение Приказа Госкомэкологии № 66 от 16.02.99 г. «О применении системы сводных расчетов при нормировании выбросов» в 12 областях Российской Федерации территориальные органы Госкомэкологии РФ приступили к созданию компьютерных банков данных о выбросах промышленных предприятий и автотранспорта и внедрению системы сводных расчетов загрязнения атмосферного воздуха выбросами промышленности и автотранспорта в практику воздухоохранной деятельности на базе программного комплекса «Эколог-Город». К настоящему времени наиболее полно развернуты работы в Госкомитетах по охране окружающей среды Пермской, Псковской и Новгородской областей, комитете по охране окружающей среды г. Воронежа. В Санкт-Петербурге на базе НИИ Атмосфера осуществляется поддержание работы в оперативном режиме компьютерного банка данных о выбросах промышленности и автотранспорта Санкт-Петербурга Миляев В.Б., Буренин Н.С., Канчан Я.С., Двинянина О.В. Управление качеством атмосферного воздуха на основе сводных расчетов загрязнения атмосферы. СПб: НИИ Атмосфера, 2000.. Использование данных методик показало свою эффективность и может быть рекомендовано к применению в Москве.

2.2 Методики оценки загрязнения водных ресурсов

Проведению водоохранных мероприятий должна предшествовать комплексная оценка антропогенной нагрузки на водные ресурсы. Водные бассейны, как известно, являются сложными динамическими системами, на что указывал профессор Ф.Н.Мильков Мильков ф.Н. Бассейн реки как парадинамическая ландшафтная система и вопросы природопользования // География и природые ресурсы. - 1981. - №4. - С. 18 - 25.. Речной бассейн следует рассматривать как парагенетическую систему, где отмечается взаимодействие сопряженных взаимозависимых элементов, связанных однонаправленным потоком вещества и энергии. Поэтому при оценке и прогнозе последствий антропогенного воздействия на водные ресурсы необходимо использовать:

1. Бассейновый подход, позволяющий оценивать динамику формирования стока, устанавливать пути движения вещества разной природы, определять степень устойчивости к антропогенному загрязнению, способствовать применению научно обоснованных систем природопользования Корытный Л.М. Геосистемно-гидрологический подход к природно-хозяйственному районированию // География и природные ресурсы. - 1991. - №1. - С. 161. - 164.. Привязка процессов антропогенного воздействия к определенным структурным элементам речной сети позволяет более четко проводить их корреляцию с природными условиями, прослеживать пути движения и рассеивания загрязняющих веществ, оценивать самоочищающие свойства речной системы.

2. Комплексное изучение факторов антропогенного воздействия и показателей ухудшения состояния водных ресурсов с учетом условий развития негативных процессов на речных водосборах определенных порядков.

3. Информацию о состоянии водных ресурсов, получаемую как методами наземного мониторинга, так и дистанционного зондирования Русинов П.С., Серябрякова Е.Д., Чалмаев Л.В. Рекомендации по использованию космической фотоинформации для составления карт состояния земель. - Воронеж: Изд-во ВГАУ, 1996. - 89 с..

4. Автоматизацию математической обработки фактического материала, проведение многофакторного анализа состояния водных ресурсов в связи со структурой водно-эрозионных морфосистем Долгополов А.Я., Смольянинов В.М., Овчинникова Т.В. Комплексная оценка состояния земель в районах с интенсивным антропогенным воздействием на природную среду. - Воронеж: Изд-во ВГАУ, 1997. - 125 с..

5. Применение автоматизированных систем картирования: состояния морфосистем разного порядка и ранга с учетом распределения осадков, водопроницаемости рельефообразующих пород, облесенности, характера почвенного покрова, особенностей морфоскульптуры, вида и степени антропогенного воздействия на поверхностные и подземные воды, то есть характера регулирования стока, объема промышленных и бытовых стоков загрязненных вод и др.; показателей последствий хозяйственной деятельности человека - сокращения объемов местного стока, загрязнения вод, усиления процессов водной эрозии.

6. Выявление морфосистем наиболее подверженных антропогенному воздействию и их классификация по типам воздействия и последствий хозяйственной деятельности человека.

7. Определение механизмов функционирования типичных для региона морфосистем в условиях интенсивного антропогенного воздействия, а также формирование расчетных моделей для определения оптимального варианта использования водных ресурсов и системы водоохранных мероприятий.

Данный методический подход был апробирован при оценке природных ресурсов и показал свое преимущество перед традиционными методами исследований.

При оценке состояния водных ресурсов региона с помощью геоинформационных технологий в районах с интенсивным антропогенным воздействием на природную среду выполяются следующие виды работ:

1. Изучение структуры исследуемых речных бассейнов: ранжирование водотоков и бассейнов; оценка структуры бассейнов (площадей, опирающихся на водотоки разных порядков, соотношение длин водотоков разных порядков, соотношение углов слияния водотоков и другие показатели). Определение структуры бассейна позволяет выявлять механизмы его функционирования, как морфосистемы. В качестве интегрального показателя устройства бассейна могут служить его энтропийные свойства.

2. Сбор сведений о природных условиях, истощении и загрязнении поверхностных и подземных вод. При этом можно использовать фондовые материалы организаций экологического мониторинга, а также данные полевых наблюдений и аэро-космические фотоснимки.

3. Выявление основных факторов, определяющих условия развития негативных природных процессов на водосборах малых рек, а также показателей состояния водных ресурсов.

4. Районирование территории путем построения отраслевых карт как по природно-хозяйственным условиям региона (геолого-геоморфологическим, гидрогеологическим, ландшафтным), так и по степени антропогенного воздействия на водные ресурсы (сокращению речного стока, истощению динамических запасов подземных вод, загрязнению поверхностных и подземных вод). Создание моделей по всему набору показателей на основе совмещения отраслевых карт в геоинформационной системе.

5. Выделение основных показателей и факторов, проведение их ранжирования по «вкладу» в общее ухудшение состояния водных ресурсов. Разработка моделей, ориентированных на выделение бассейнов с разной степенью нарушения в функционировании.

6. Построение обобщающих карт: районирования по интегральному показателю условий развития негативных природных процессов; районирования по интегральному показателю ухудшения состояния водных ресурсов. Для этого используются материалы обработки результатов мониторинга природно-хозяйственных условий с помощью новых геоинформационных технологий.

7. Анализ результатов районирования, разработка схем охраны и рационального использования водных ресурсов региона.

Наиболее удобной формой представления информации о структуре речных бассейнов, природных и антропогенных факторах является серия карт, каждая из которых характеризует отдельные свойства природной среды. К ним относятся карты: топографические, геологические, геоморфологические, гидрологические, гидрогеологические, ландшафтные.

Масштаб карт определяется целями и задачами исследования. Для общих оценок больших территорий, например, административных областей используются карты мелких масштабов (1:500000). Напротив, для небольших регионов, где необходимо оценить динамику конкретных процессов, рекомендуется использовать карты крупных масштабов (1:100000 и крупнее).

Картографической основой могут также служить данные аэро- или космической съемки. Аэрокосмические снимки особенно необходимы для выявления контуров зон антропогенных воздействий, а также последствий хозяйственной деятельности человека.

Геолого-геоморфологические условия территории являются важнейшими факторами формирования структуры речных бассейнов, они определяют направленность и интенсивность природных и антропогенных процессов. Так, геоморфологическими условиями определяются характер и интенсивность водной эрозии, транспортирующая способность воды, а следовательно, и перенос загрязняющих веществ. От литологического состава рельефообразующих пород зависят состав аллювиального материала и способность его к перемещению. Важным факторов в функционировании эрозионных морфосистем является соотношение уклонов водотоков разного порядка. Изучение уклонов притока и принимающего водотока необходимо для выявления зон аккумуляции или эрозии, что позволяет проследить путь миграции загрязняющих веществ.

Гидрогеологическая карта отображает общие условия обводненности территории подземными водами и позволяет выявлять связь этих вод с поверхностным стоком.

Ландшафтные карты несут в себе информацию о структуре бассейнов, как сложных систем, о характере и свойствах поверхности водосборов, их устойчивости к антропогенным воздействиям.

Районирование территории можно проводить на основании многофакторного анализа и классификации природно-хозяйственных систем, характеризующихся большим количеством факторов. При этом следует использовать компьютерные программы «кластер анализа», представляющего собой совокупность методов, предназначенных для представления облака многочисленных точек - объектов в виде относительно удаленных друг от друга сгустков-кластеров. Для построения кластерных структур наиболее часто используется алгоритм, реализующий метод динамичных сгущений. В процессе кластер-анализа для всех объектов строятся звездчатые диаграммы, на которых показываются в обобщенном виде природно-хозяйственные условия, или состояние водных ресурсов. Количество лучей на этих диаграммах соответствует количеству факторов, а нормированному значению каждого фактора соответствует длина луча.

Средства геоинформационной системы обеспечивают: комплексную оценку территории по условиям развития негативных природных процессов в бассейнах малых рек; информационное обеспечение моделей при комплексной экологической оценке водных ресурсов; построение карт экологической обстановки для оперативного принятия решений.

Подобный подход позволяет выявить связь между структурой речного бассейна, величиной антропогенного воздействия и характером «отклика» на него, что делает возможным разработку и обоснование оптимальных систем природопользования Смольянинов В.М., Русинов П.С., Панков Д.Н. Комплексная оценка антропогенного воздействия на природную среду при обосновании природоохранных мероприятий. - Воронеж: Изд-во ВГАУ, 1996. - 126 с..

2.3 Методики оценки загрязнения почв

Существующие нормы не охватывают всего разнообразия компонентов, загрязняющих почвы, и не являются жесткими, а зависят от типов почв, их механического состава, содержания гумуса. В ГОСТах, ПДК и в других документах, как правило, приводятся валовые содержания компонентов, а экологически опасны их воднорастворимые Формы, которые не всегда нормируются. Экологически опасны не только высокие, но и аномально низкие концентрации компонентов. Например, недостаток в пище и воде йода вызывает эндемический зоб. Нормы минимально допустимых концентраций веществ в почвах отсутствуют.

В конце 1992 г. Министром охраны окружающей среды и природных ресурсов Российской Федерации утверждены «Критерии оценки экологической обстановки территорий для выделения зон чрезвычайной экологической ситуации и зон экологического бедствия». В указанном документе приведен ряд показателей для определения экологической опасности загрязнения почв, сильно загрязненных территорий (районов чрезвычайной экологической ситуации и экологического бедствия), а также для условно "чистых" территорий. Критерии имеют предварительный характер и являются временно действующими.

Сказанное дает возможность сделать вывод о том, что экогеологическая оценка загрязнения почв может быть выполнена только на ориентировочном уровне. Поскольку почва является биокосным телом, экогеологи, как специалисты геологического профиля, не могут взять на себя ответственность за полную оценку экологического состояния почв. Их основная задачасостоит в том, чтобы определить химическое загрязнение почв. Степень загрязнения почв ранжируется по четырем градациям: допустимая, умеренно опасная, опасная, чрезвычайно опасная. Картографируется устойчивое загрязнение, наблюдающееся в период не менее 1 года.

Рекомендуется в обязательном порядке картографировать загрязнение почв следующими компонентами:

- тяжелыми металлами;

- нефтепродуктами;

- пестицидами, гербицидами;

- радиоактивными веществами;

- соединениями азота;

- Фенолами.

Что касается других токсикантов, то ИХ изучение необходимо выполнять только в тех районах, где они непосредственно обнаружены. Рассмотрим кратко способы экологической оценки содержания в почвах выделенных выше токсикантов.

Методика геолого-геохимической оценки концентраций в почвах тяжелых металлов с экологических позиций разработана ИМГРЭ (Институт минералогии, геохимии и кристаллохимии редких элементов РАН и Министерства природных ресурсов РФ).

В основе ее лежит определение суммарного показателя загрязнения (Zc), рассчитываемого по формуле:

 (2.1)

где Кс -- коэффициент концентрации: отношение содержания элементов в объекте к среднему Фоновому его содержанию или ПДК;

n -- число учитываемых аномальных элементов. Выделяется четыре градации: У=Kc1j - допустимые -- Zc < 16; умеренно опасные -- Zc от 16 до 32; опасные -- Zc от 32 до 128; чрезвычайно опасные -- Zc > 128. Приведенные градации определены в основном по данным исследований влияния концентраций тяжелых металлов в почвах на здоровье городского населения, но их обоснованность нельзя считать универсальной-

Для территорий с опасным загрязнением (чрезвычайная экологическая ситуация) концентрации в почвах металлов I класса опасности (бериллий, ртуть) должны быть в пределах 2-3 ПДК, II класса опасности (алюминий, кадмий, молибден, селен, стронций) -- 5-10 ПДК, III и IV классов опасности (никель, хром, медь, марганец, цинк) -- 10-20 ПДК.

Для районов чрезвычайно опасного загрязнения почв (экологического бедствия) приняты следующие превышения концентраций по отношению к ПДК: металлы I класса опасности -- более 3, II класса -- более 10, III и IV классов -- более 20.

Для оценки загрязнения почв в качестве базового предлагается использовать показатель Zc (при высоких концентрациях металлов I и II классов токсичности, корректируя его по критериям Минприроды.

В соответствии с нормативным документом Минприроды и Комитета по земельным ресурсам и землеустройству РФ «Порядок определения размеров ущерба от загрязнения земель химическими веществами», утвержденным 14-09.93 г., рекомендуются следующие нормы концентраций нефтепродуктов в почвах (мг/кг)

допустимые -- < 2000;

умеренно опасные -- 2000 -- 3000;

опасные -- 3000 -- 5000;

чрезвычайно опасные -- > 5000;

Степень экологической опасности загрязнения почв пестицидами и гербицидами определяется с учетом их токсичности. Согласно «Критериям…» (с нашими дополнениями) предлагаются следующие градации:

- допустимые концентрации < 1 ПДК;

- умеренно опасные:

для веществ I класса токсичности 1-2 ПДК,

--«- II класса --«- 1-5 ПДК,

-«- III класса --«- 1-10 ПДК;

- опасные:

для веществ 1 класса токсичности -- 2-3 ПДК,

-«- II класса --«-- - 5-10 ПДК,

-«- III класса --« -- - 10-20 ПДК;

- чрезвычайно опасные:

для веществ 1 класса токсичности > 3 ПДК,

-«- II класса -- «- > 10 ПДК,

-«- III класса -- «- > 20 ПДК.

К пестицидам и гербицидам 1 класса токсичности относятся атразин, атразин-3, гектахлор, гранстар, гранозан, ГХБ, ГХЦГ, ДДТ, карбатион и др.; ко второму классу -- агелан, агион-3, деланон, карбофос, кельтан, купрозан, пропанид, рогор и др.; к третьему Классу -- гардон, дактол, дилор, мильбекс, поликарбацин и др.

На карте отображаются остаточные концентрации гербицидов и пестицидов в почвах после вегетационного сезона.

Опасность радиоактивного загрязнения определяется с использованием критериев, приведенных в «Рекомендациях по ведению сельского хозяйства в условиях радиоактивного загрязнения территории на Чернобыльской АЭС на период 1991-1995 гг., а также критериев Минприроды. Согласно этим документам при радиоактивности почв до 5 Ки/`В.км, они считаются радиационно безопасными. При радиоактивности от 5 до 15 Ки/`В.км вводятся ограничения на использование оросительных вод. Если величина радиоактивности от 15 до 40 Ки/`В.км то при земледелии обязательно проведение защитных мероприятий. В районах, где радиоактивность почв превышает 40 Ки/`В. км, сельскохозяйственное использование земель запрещается, люди подлежат переселению.

Должно определяться радиоактивное загрязнение почв следующими радионуклидами: цезием-137, стронцием-90, плутонием (сумма изотопов). В соответствии с работой / 4 / приняты следующие градации загрязнения территорий указанными радионуклидами (в Ки/`В.км):

- допустимое (цезий-137 -- до 1, стронций-90 -- до 0,3);

- умеренно опасное (цезий-137 -- 1-15, стронций-90 -0,3-1);

- опасное (цезий-137 -- 15-40, стронций-90 -- 1-3, плутоний > 0,1);

- чрезвычайно опасное (цезий-137 > 40, стронций-90 >3, плутоний > 0,1).

Для селитебных территорий, кроме того, необходимо определять мощность экспозиционной дозы на уровне 1 м от поверхности земли (мкР/ч). В допустимой ситуации она не превышает 20, в умеренно опасной -- 20-200, опасной 200-400, чрезвычайно опасной -- более 400.

Степень загрязнения почв соединениями азота, Фенолами и веществами III класса токсичности оценивается с использованием критериев Минприроды (см. легенду к карте).

Что касается загрязнителей, определение которых не обязательно, то экологическая оценка их концентраций производится с использованием градаций Минприроды с учетом степени токсичности веществ.

Интегральная экологическая оценка концентраций, отображаемая на карте цветом или цветными линиями, определяется по максимальным значениям концентрации отдельных видов токсичных веществ.

В легенде предусмотрено картографирование в почвах концентраций компонентов на территориях с естественными и нарушенными условиями. Для разделения этих территорий необходимо использовать информацию раздела У-2-1 настоящей легенды. При техногенном изменении ландшафтов на площади более 10% территории необходимо относить к нарушенным.

Аналогичные подходы к оценке загрязнения применяются и к донным осадкам, т.к. последние являются почвами водных биоценозов.

При содержании в почвах и донных осадках комплекса токсичных компонентов их концентрации показываются в виде Формулы. Индексами синего цвета отображаются компоненты, находящиеся в умеренно опасных концентрациях, черного) -- в опасных, красного -- в чрезвычайно опасных Тяжелые металлы обозначаются в Формуле их химическими индексами, индексы остальных токсичных компонентов приведены в легенде к карте.

2.4 Анализ унифицированных программ расчета степени загрязнения окружающей среды

Последовательность действий администраций городов при управлении качеством окружающей среды обычно следующая:

- по сведениям от населения, городских, федеральных служб эко-мониторинга и т. п. выясняется, что в городе обострилась проблема экологического характера, например, опасно вырос уровень загрязнения воздуха автомобильным транспортом;

- специализированными научными организациями проводятся исследования, позволяющие количественным образом описать указанную проблему и определить метод ее решения.

- после рассмотрения и утверждения программы начинается ее реализация, а исполнительный документ (постановление или распоряжение) поступает в контрольные органы администрации для контроля за ходом выполнения программы. Одновременно финансовые инспекции города следят за правильностью расходования средств. После выполнения программы исполнительный документ снимается с контроля.

В описанной процедуре в основу разработки программ, оценки их эффективности, стоимости кладется инженерный опыт, здравый смысл и поиск аналогий. Формализованные численные методы используются в проектных работах при расчетах объемов работ, сметных стоимостей, других инструктивных материалов. Зачастую сметная стоимость строительных работ на практике превышается в несколько раз.

Особенность экологических проблем заключается, во-первых, в крайней неопределенности формулировки задач, а, во-вторых, в комплексности задачи, когда необходимо учитывать разнородные факторы от геологии до уровня загрязнения атмосферного воздуха. Как показывает наша инженерная практика, здесь ошибка в оценках и расчетах может составлять сотни процентов. Город - это очень сложный объект. В конечном счете, целью применения формализованных методов в экологическом проектировании, математическом моделировании и прогнозировании является более точный расчет размера экологического ущерба, предстоящих финансовых затрат и оценки эффективности применяемых мер.

Для того, чтобы более подробно обсудить частные математические методы, перечислим составные этапы процесса проектирования:

А. Экологические изыскания.

Б. Технико-экономическое обоснование (ТЭО).

В. Рабочий проект.

Г. Авторский надзор при реализации проекта.

Для значительной части перечисленных этапов существуют формализованные методы и даже пакеты прикладных компьютерных программ.

Чем точнее и полнее проведены экологические изыскания, тем меньше ошибка в объемах финансирования и точнее оценка эффективности результатов работ. Однако, по сложившейся в России практике на изыскания выделяются доли процентов от общей стоимости работ. Иногда в литературе обсуждается проблема разработки общей модели города. В принципе, наличие такой модели позволило бы проводить более точные расчеты экологического ущерба и прогнозировать результаты реализации проектов. Однако, создание всеобщей модели города на все случаи жизни возможно лишь теоретически. На практике для каждой конкретной задачи из подручных алгоритмических и программных средств собирается инструментальное средство, на котором проводятся расчеты, и эффективность применения формальных методов зависит от инженерного опыта и искусства проектировщика. Таким образом, создание общей модели города не является приоритетной задачей для частных экологических проблем города. Создание такой модели было бы целесообразно для решения стратегических задач города, таких, например, как разработка схемы санитарной очистки города от твердых бытовых отходов, реконструкция дорожно-транспортной сети для сокращения выбросов от автотранспорта, общая экологическая оценка состояния окружающей среды. Сейчас каждая из указанных задач решается с помощью собственного инструментария.

Наличие хотя бы совместимых программных средств, общих алгоритмических и программных интерфейсов позволило бы проводить действительно комплексное экологическое моделирование и прогнозирование в городе.

Сформулируем перечень наиболее распространенных программно-математических комплексов, применяемых при решении экологических задач. В иерархическом порядке от уровня сбора информации до решения организационных экологических проблем перечень выглядит следующим образом:

- программное обеспечение автоматических станций контроля качества воздуха, воды, включая опрос анализаторов, первичную обработку данных, передачу их через модем в центр сбора информации;

- алгоритмическое и программное обеспечение центров сбора первичной информации, включая организацию и обработку первичных баз данных, программ сбора информации от ведомственных систем контроля, совместного их анализа и составления обобщенных справок;

- алгоритмическое и программное обеспечение сети передачи данных по городу, включая стандартные системы типа Internet;

- автоматизированное рабочее место специалиста-эколога;

- алгоритмы и программы расчета экологического ущерба, модели переносов загрязнений от точечных и протяженных источников;

- геоинформационные системы.

Построение полей загрязнения атмосферы на городских территориях необходимо для хозяйственной и строительной деятельности. Эту задачу можно решить множественными непосредственными измерениями в городе, а также с помощью методов и программ моделирования.

Если бы можно было поставить в каждую точку территории измерительную аппаратуру, то моделирование было бы ненужным. Но это слишком дорого, а иногда в принципе невозможно, поэтому моделирование оказывается экономически целесообразным, а иногда и единственно возможным способом построения полей загрязнения территории.

Моделированию переноса загрязнений в городах посвящено множество работ отечественных и зарубежных специалистов. Наиболее распространена следующая методика построения полей загрязнений.

Для городской территории описываются характеристики основных источников выбросов - ТЭЦ, РТС, заводов, автотрасс и т. п. Описывается городской ландшафт, параметры застройки, метеорологическая ситуация. Используя специальные формулы расчетов рассеивания примесей в атмосфере, вычисляют концентрации загрязняющих примесей в каждой точке и строятся поля загрязнений. Модели и программы расчета по данной методике называются обычно экстраполяционными.

Для оперативных расчетов полей загрязнений атмосферы можно использовать также следующую методику. В некоторых точках города с помощью стационарных автоматических станций измеряются концентрации загрязняющих примесей в воздухе. Затем с учетом городского ландшафта и метеообстановки рассчитываются значения концентраций примесей в точках, расположенных между каждыми двумя близлежащими станциями. На основании расчетных и реальных данных строятся поля загрязнений. Так как для расчета используются методы интерполяции, то модели и программы называются интерполяционными.

Большое практическое значение имеет и решение обратной задачи, при которой по данным предельным концентрациям определяется мощность источника, дающего такие значения. Обратная задача решается при расчете т. н. ПДВ - предельно допустимых выбросов предприятий, на основании которых в России устанавливаются размеры платежей в экологические фонды.

Рассмотрим математические аспекты, а также вопросы точности различных моделей.

В экстраполяционных моделях расчет рассеивания от точечных источников строится на базе т. н. уравнений баланса. Суть уравнения баланса можно иллюстрировать простым примером. Пусть внутри объема V, например, шара, с поверхностью S находится источник вещества с удельной концентрацией а и скоростью притока е. Обозначим скорость движения вещества по нормали к поверхности пространства (шара) через А, элемент объема - через dV, а элемент поверхности - dS. Тогда процесс рассеивания в пространстве описывается простым уравнением.

(2.2)

Объемный интеграл в левой части уравнения задает скорость изменения количества вещества в данном объеме (r - удельная плотность вещества). Первый интеграл в правой части есть полный поток вещества через поверхность S, а второй интеграл - приток вещества в объеме V.

С этим уравнением можно проводить преобразования с целью учета реальных условий города. Можно задавать разные скорости переноса по разным направлениям, имитируя ветер, можно вводить турбулентность, имитируя рельеф, можно вводить т. н. коэффициенты шероховатости подстилающей поверхности. Так как прямое вычисление интегралов весьма трудоемко, используются косвенные методы, такие как различные численные модели, стохастическое моделирование методом Монте-Карло и т. д.

Точность всех типов моделей определяется масштабом и точностью описания исходных и граничных условий. Масштаб модели - это та единица общей территории, относительно которой определяется концентрация. Если это десятки и сотни квадратных метров, то говорят о микромасштабе, если квадратные километры, то это мезомасштаб, а если десятки квадратных километров, то макромасштаб.

На моделях макромасштаба легче достигается высокая точность. Содержательно в этом случае как бы рассматривается ровная гладкая поверхность, и на большой высоте, такой, что можно пренебречь шероховатостью поверхности, находится единственный источник выбросов. Модель будет простой, и точность ее будет высокой. Если же рассматривается город и источник выбросов находится на небольшой высоте, то для достижения высокой точности необходимо учитывать турбулентность, возникающую в уличных каньонах, вокруг домов, складках естественного рельефа, т. е. модель будет усложняться.

Для того, чтобы в реальном времени с помощью эстраполирующих моделей в масштабах большого города проводить расчеты переносов загрязнений в атмосфере даже от стационарных источников, нужно знать текущие значения выбросов в атмосферу и направление ветров в микромасштабе. Для города, имеющего сотни источников выбросов, а в Москве сто одиннадцать тысяч источников выбросов, 12 ТЭЦ и 48 РТС, не считая средних и мелких предприятий и заводов, получение такой информации стоит дороже, чем установка в городе десятка стационарных автоматических станций контроля атмосферного воздуха. Это не означает, что эстраполяционные модели расчета не имеют практического значения. Они могут быть полезны при стратегическом планировании городской застройки, для расчета различных вариантов прокладки автотрасс, строительства новых городских объектов, но не для оперативных расчетов полей загрязнений.

К числу наиболее известных методов расчета распространения примесей в атмосфере относятся модели, основанные на гауссовском (нормальном) распределении случайных величин. В России к этому классу относится методика ОНД-86, признанная нормативным документом для расчета ПДВ. Многочисленные эксперименты показывают, что она может использоваться лишь для оценки максимально возможной наземной концентрации примесей при наихудших условиях рассеивания.

Для учета рельефа, вертикального профиля температуры, других метеоусловий разрабатываются более сложные модели, такие как гидротермодинамическая модель программного комплекса «ЗОНА». Не вдаваясь в детали описание модели, укажем, что она получила распространение в России, прежде всего, потому, что была доведена до программной реализации с полным комплектом документации. В то же время и по отношению к модели «ЗОНА» вопросы адекватности ее реальным полям загрязнений в условиях плотной городской застройки и сложной микроме-тереологии остаются открытыми. Вариант модели «ЗОНА» для автомобильного транспорта в настоящее время проходит апробацию в Москве. Известны и другие модели переноса, такие как модель А. П. Курковского, модель фирмы «ИНДИК» (Швеция) и т. п. Их адекватность реальной городской ситуации остается пока недоказанной.

Интерполяционные модели, как уже указывалось выше, в качестве исходных данных используют реальные значения концентраций примесей в заданных точках.

Значения концентрации примесей между заданными точками вычисляются по формулам интерполяции. Чаще других используется линейная интерполяция:

(2.3)

где f(n) - значение функции в точке n, l - расстояние между исходными точками, f(n + l) - значение функции в другой исходной точке,

f(n + x) - значение функции в точке, отстоящей на расстояние х от точки n.

Средняя квадратичная ошибка линейной интерполяции определяется формулой.

(2.4)

где b(l) - структурная функция рассматриваемого параметра:

b(l) = (f(n) - f(n+l))² (2.5)

Методы интерполяции хорошо работают в сплошных однородных средах, например, в неподвижной толще воды. В городе, где между двумя точками измерения может находиться автотрасса, или труба завода, механическое применение методов интерполяции может дать абсурдные результаты. Методы интерполяции, учитывающие неоднородность рельефа, наличие промежуточных источников выбросов, автору неизвестны.

Таким образом, чтобы дать рекомендации- по применению той или иной модели необходимо статистически достоверное их тестирование. Как правило, на него нет ни времени, ни денег, поэтому достоверность моделей пока все-таки остается вопросом веры Пупырев Е.И. Опыты конструктивной экологии. М., 2005..

3. Использование информационных систем управления состоянием окружающей среды

3.1 Структура программы

Для расчетного многоуровневого мониторинга состояния окружающей среды перспективно использование программного комплекса «Гарант-универсал».

Одним из важнейших методов исследования состояния окружающей среды в зоне влияния промышленных объектов является расчетный мониторинг, т.е. регулярные работы по определению пространственно-временных характеристик загрязнения атмосферы, почвы и воды на основе расчетов по математическим моделям переноса и диффузии атмосферных примесей, использования волновых уравнений, описывающих источники шума, и т.п. Исходными для расчета служат данные инвентаризации источников выбросов, источников шума и т.п., а также климатические и метеорологические характеристики.

Деятельность промышленных предприятий сопровождают различные виды вредного воздействия: выбросы в атмосферу токсичных компонентов дымовых газов и частиц от стационарных и подвижных источников, сбросы загрязняющих веществ в поверхностные и подземные водные объекты, размещение и утилизация отходов, шумы, вибрации, электромагнитные и радиационные воздействия и т.д.

Комплексный учет всех факторов при проведении расчетного мониторинга для различных уровней территорально-административных схем городского хозяйства (промышленное предприятие, группа предприятий и т.п.) возможен с применением программных комплексов.

Разработанные методики комплексного экологического мониторинга и программная реализация предложенных моделей позволили ООО «НПО “Фирма Гарант”» создать систему оценки воздействия основных факторов промышленного и транспортного загрязнения окружающей среды на объекты жилой зоны мегаполисов и промышленных центров Алатырцев А.Б. Прогнозирование комплексной антропогенной нагрузки на селитебные территории и использование программного комплекса «Гарант-Универсал-Нуклид-Шум» / А.Б. Алатырцев, П.А. Жуков. // Математическое моделирование. 2003. Т. 15.. Разработанный программный комплекс (ПК) «Гарант-Универсал», в состав которого входят модули «Гарант-ПДС», «Нуклид», «Гарант-Шум», «Гарант-Инфразвук», «Гарант-Ультразвук», «Гарант-Вибрация», «Гарант-Отходы», «Гарант-ЛЭП» и др., может быть взят за основу для создания системы комплексного расчетного экологического мониторинга.

ООО "НПО Фирма ГАРАНТ" создано в 1990 году коллективом научных работников и специалистов с целью ведения экологической деятельности в интересах региональных органов экологического надзора и контроля России, в том числе и г. Москвы и Московской области.

Сотрудники фирмы, в число которых входят доктора и кандидаты наук, имеют богатый опыт в разработке программного обеспечения для решения прикладных задач в области гидрогазовой динамики, теории струйных течений, теплопередачи и атмосферной диффузии применительно к проблемам охраны окружающей среды. Ими разработаны уникальные методики и программы по расчетам загрязнения атмосферного воздуха и почвы от испытательных стендов силовых установок ракетно-космических и авиационных предприятий. Методики и программы согласованы в ГОСКОМГИДРОМЕТе и ряде ведущих институтов СССР. Получили известность научные труды сотрудников Фирмы по оценке фазовых превращений примесей в процессе их рассеивания в атмосфере и физико-химических процессов при течении двухфазных потоков в каналах с твердыми и жидкими стенками.

С 1985 года творческий коллектив Фирмы "ГАРАНТ" имеет научные связи с отделом Атмосферной диффузии и загрязнения атмосферного воздуха ГГО им. А.И. Воейкова, возглавляемым профессором д.ф-м.н. Берляндом М.Е. Основное направление сотрудничества связано с разработкой Общесоюзного нормативного документа "Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий" (ОНД-86).

Ученые Фирмы "ГАРАНТ", в рамках договора с ГГО им. А.И. Воейкова, внесли свой вклад в окончательную редакцию рукописи ОНД-86, особенно в связи с возможностями численных алгоритмов, реализующих основные положения методики. Практический результат этих работ ГГО им.А.И. Воейкова подтвердила актом о внедрении.

На базе ОНД-86 в 1987 г. коллектив Фирмы "ГАРАНТ" разработал первые в СССР программы для ЭВМ типа ЕС и СМ (“Гарант” и “Универсал”), рекомендованные ГГО им.А.И.Воейкова ГОСКОМГИДРОМЕТа и ГОСКОМПРИРОДЫ СССР для использования на всей территории СССР. Эти программы первыми в СССР были реализованы для ПЭВМ (см., например, письмо ГОСКОМПРИРОДЫ СССР N 09-2-2/1390 от 28.07.89 г. "О списке программ расчета загрязнения атмосферы на ЭВМ") и имеют наибольший опыт эксплуатации из действующих в настоящее время в России. Программа "УНИВЕРСАЛ", учитывающая аэродинамику обтекания зданий воздушным потоком, в соответствии с приложением N2 ОНД-86, более 10 лет оставалась уникальной, не имея аналогов. Кстати, из всех организаций, упомянутых в вышеназванном списке, только фирма "ГАРАНТ" продолжает успешно заниматься экологической деятельностью.

В 1997 году впервые в России для аналогичного вида программной продукции программный комплекс (ПК) "Гарант-Универсал" (версия 1) получил сертификат соответствия Госстандарта России в системе сертификации ГОСТ Р на соответствие требованиям нормативных документов, включая ОНД-86. В 2000 году ПК "Гарант-Универсал" (версия 2) был вторично сертифицирован Госстандартом России на соответствие требованиям нормативных документов, включая ОНД-86, и был в очередной раз рекомендован к использованию Госкомэкологией России территориальным органам (см. письмо Госкомэкологии России исх. 02-19/24-127 от 04.05.00 г. за подписью Первого заместителя Председателя Госкомэкологии России А.Ф. Порядина).

Развитием разработок программных средств воздухоохранного назначения является создание ПК для решения этих же задач в масштабе района, города, региона.

ООО "НПО ФИРМА ГАРАНТ" имеет лицензии на разработку проектов нормативов ПДВ, ПДС, СЗЗ, лимитов размещения отходов, экологических паспортов, разделов "Охрана окружающей среды" в составе проектной документации и успешно более 10 лет использует собственное программное обеспечение в проектных работах, разработав более 100 проектов.

Рис. 3.1 - Архитектура комплекса ПК «Гарант-Универсал»

Общая архитектура ПК «Гарант-Универсал» представлена на рис. 3.1. Программный комплекс состоит из шести основных элементов - это база данных, расчетные модули, архив результатов расчетов, средства графической визуализации результатов расчетов и монитор, который связывает все шесть основных элементов по управлению и по базам данных. Основное приложение включает в себя шесть подсистем («Воздух», «Отходы», «Радиация», «Шум, инфразвук, ультразвук», «Вибрация», «Вода»). Каждая подсистема представляет собой набор программных компонентов и может функционировать как в составе программного комплекса, так и самостоятельно. Связь между программными компонентами и расчетными модулями осуществляется с помощью файлов определенной спецификации с заданием на расчет и с результатами расчетов. Результаты расчетов могут быть сохранены в специализированном архиве.

Разработанный графический пакет позволяет отображать результаты расчетов с различной степенью детализации в 2D и 3D графике, совмещать расчетные данные с картой местности, сохранять результаты в различных форматах для совместимости с другими графическими редакторами и задавать исходные данные (координаты зданий, территорий предприятия и источников загрязнений) непосредственно с карты местности, что повышает удобство ввода исходных данных. Вся отчетная документация, которая не требует графического отображения, формируется в виде файлов формата MS Word, MS Excel.

Подсистема «Воздух» позволяет учитывать выбросы вредных веществ одного объекта (предприятия), выбросы группы объектов с учетом вклада каждого объекта (рассчитываются в приземном слое атмосферы максимально разовые концентрации химических вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий с учетом влияния застройки территории в соответствии с методикой ОНД-86. Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных химических веществ, содержащихся в выбросах предприятий / Госкомгидромет. - Л.: Гидрометеоиздат, 1987.), учитывать выбросы от автотранспорта и формировать проектную документацию по предельно допустимым выбросам. Возможно проведение расчетов по инвентаризации источников выбросов, включая автотранспорт. Расчеты с использованием подсистемы «Воздух» (программы «Универсал», «Гарант» и др.) проводятся пользователями в соответствии с ОНД-86 уже 20 лет.

Входящий в подсистему «Воздух» программный модуль (ПМ) «Гарант-авария» предназначен для проведения расчетов аварийных ситуаций, включая прогноз масштабов заражения и оценку обстановки при авариях. Результаты расчетов для объектов, содержащихся в базе данных, могут быть также визуализированы с использованием геоинформационных слоев, созданных в формате АгсGIS (рис. 3.2).

Рис. 3.2 - Отображение движения фронта облака СДЯВ с использованием ArcGIS

Программа «Среднегодовые концентрации вредных веществ» для расчета среднегодовых концентраций вредных веществ в атмосферном воздухе, содержащихся в выбросах предприятий, разработана на основе гауссовой модели диффузии, рекомендованной МАГАТЭ и рядом Международных организаций (НКДАР, ВОЗ и др.). Расчеты проводятся с учетом вероятностных зависимостей классов устойчивости атмосферы, скорости и направления ветра для не штилевых и штилевых условий, осредненных на годовой интервал времени. В программе реализован учет застройки территории с использованием геометрии зданий, высоты шероховатости подстилающей поверхности, учет вымывания примеси осадками и т.п. На основе расчетов полей среднегодовых концентраций вредных веществ проводятся расчеты рисков заболеваемости населения. Указанная программа с 2003 г. эксплуатируется в ГПУ «Мосэкомониторинг» при правительстве Москвы и использовалась для проведения расчетов среднегодовых концентраций и рисков заболеваемости от выбросов ТЭЦ в Москве.

Программы «Универсал-город» и «Норма» позволяют сформировать задание на расчет как для одного предприятия, так и для групп предприятий на основе информации об источниках отдельных предприятий, которая имеется в базе данных ПК. Каждая группа предприятий может быть зарегистрирована в базе данных самостоятельно. Каждый источник группы предприятий имеет свой уникальный номер. Расчет загрязнения атмосферы от групп предприятий может проводиться с выделением вкладов отдельных источников и предприятий в суммарное поле концентраций отдельных веществ и групп суммаций, а также в точки максимальных концентраций на поле. Программа «Универсал-город» используется при проведении сводных расчетов городов (промышленных узлов) с последующим установлением квот выбросов для отдельных источников предприятий (предприятий в целом). Нормирование выбросов проводится как по отдельным веществам, так и по группам суммаций. Целесообразно использование программ «Универсал-город» и «Норма» также для разработки проектов ПДВ для нескольких предприятий с источниками, находящимися на разных заводских территориях. Совместно с ГУПР МПР России по г. Москве в 2003 г. проводился расчет по программам «Универсал-город» и «Норма», входящим в состав подсистемы «Воздух», для группы ТЭЦ в целях установления нормативов выбросов вредных веществ для каждого объекта при условии, что суммарная максимальная приземная концентрация для каждого вредного вещества группы ТЭЦ не должна превышать соответствующего значения ПДК.

Подсистема «Отходы» обеспечивает полный контроль всего жизненного цикла утилизации отходов от момента их образования до разложения, переработки или захоронения. Имеются автоматизированные средства определения класса токсичности отходов, контролируется миграция отходов во все среды. Подсистема содержит справочники по удельным показателям объемов образования отходов различных технологий производств.

Подсистема «Радиация» (расчетный модуль «Нуклид» и др.) позволяет выполнять расчеты полей среднегодовых концентраций радиоактивных веществ в приземном слое атмосферы, годовых выпадений на почву, фактора безопасности, а также доз облучения от среднегодовых концентраций радиоактивных веществ в атмосферном воздухе и от выпадений их на почву, выбрасываемых точечными источниками ДВ-98. Руководство по установлению допустимых выбросов радиоактивных веществ в атмосферу / Госкомэкология России, Минатом России. - М., 1999.. Подсистема позволяет также выполнять расчеты для групп радиоактивных веществ любого количественного и качественного состава с учетом влияния зданий и сооружений, расположенных на промышленных площадках и в районе жилой застройки, с учетом фоновых концентраций радиоактивных веществ, заданных постоянными значениями. В настоящее время ПК «Нуклид» успешно эксплуатируется в ГП «Российский научный центр “Курчатовский институт”», ФГУП ПО «Маяк», ФГУП ВНИИНМ им. А.А. Бочвара, на Ангарском электролизном химическом комбинате, Новосибирском заводе химических концентратов и др.

Подсистема «Шум, инфразвук, ультразвук» позволяет СНиП 23-03-2003. Защита от шума. - М.: Стройиздат, 2004.:

- поактавно рассчитать суммарные уровни шума в узлах сеток расчетных прямоугольников (расчетных точках) от совокупности источников шума, распределенных по территориям предприятий. Расчет проводится для каждого предприятия (территории) из группы и для группы предприятий в целом (по всем территориям);

- определять зоны акустического дискомфорта как от группы предприятий, так и от каждого предприятия в отдельности;

- определять вклады источников шума в суммарный уровень шума для каждой расчетной точки, а также доли снижения шума акустическими экранами (зданиями);

- автоматически определять точки (узлы сеток) расчетных прямоугольников c максимальными уровнями шума;

- для каждой точки (узла сетки) расчетного прямоугольника рассчитать уровень звука по расчетным данным спектральных уровней шума (рис. 3.3);

- определять требуемые снижения уровней шума источников для достижения нормативного уровня шума для точек (узлов сетки);

- выполнить в полном объеме разработку проекта санитарно-защитной зоны (СЗЗ) с учетом шумового воздействия, а также ультразвука и инфразвука;

- определять октавные уровни звукового давления от нескольких источников шума внутри помещений, зданий и сооружений на рабочих местах и в зонах постоянного пребывания;

- учесть в расчетах зоны: прямого звука, отраженного звука, а также прямого и отраженного звука;

- учитывать геометрию источников шума;

- учитывать источники шума, расположенные в соседних помещениях и вне здания;

- учитывать непостоянно работающие источники шума в комбинации и раздельно с постоянно работающими источниками;

- учесть шум от транспортных потоков и др.

Пользователями подсистемы «Шум» в течение 5 лет являются известные в Москве институты и фирмы: МосводоканалНИИпроект, Проектный институт № 2, ЗАО «ПромтрансНИИпроект», компания «Шанеко» и др., а также фирмы и организации других городов и государств (Белоруссии, Казахстана, Эстонии, Украины).

Наиболее широкое применение ПК связано с автоматизированным формированием проектов ПНООЛР, ПДВ, ПДС, СЗЗ (с учетом шумового воздействия) и т.п.

ПК «Гарант-Универсал» проходит с 1997 г. процедуру сертификации в системе сертификации ГОСТ Р Госстандарта России на соответствие основополагающим стандартам на программные продукты, а также требованиям нормативных и инструктивно-методических документов по охране окружающей среды и имеет сертификат (регистрационный № РОСС RU.МЕ 20.Н00882 от 04.03.2004 г.).

В настоящее время ПК «Гарант-Универсал» рекомендован МПР России для расчетов загрязнения воздуха радиоактивными и вредными химическими веществами с учетом влияния застройки территории для отдельных источников и групп предприятий. Имеется разрешение Ростехнадзора на его использование. Департамент Госсанэпиднадзора Минздрава России также рекомендовал к распространению в органах и учреждениях госсанэпидслужбы Российской Федерации ПК «Гарант-Универсал» (включая «Гарант-Шум»).

Рис. 3.3 - Экранная форма результатов расчетов уровня звука с учетом застройки территории

В настоящее время ПК "Гарант -Универсал" реализован в среде MS Windows (95/98/Me/2000/XP/2003) c графическим пакетом отображения полей концентраций с уникальными возможностями по сравнению с известными программами.

Информационная база данных ПК "ГАРАНТ-УНИВЕРСАЛ" позволяет получать документы по разделам инвентаризации источников выбросов (влючая автотранспорт), а также формы 2-тп (воздух) и экологического паспорта предприятия.

Уникальность ПК "ГАРАНТ-УНИВЕРСАЛ" связана с:

· обеспечением автоматизированного решения задачи нормирования выбросов с использованием различных функциональных критериев;

· расчетом аварийных ситуаций и разрушений;

· расчетом выбросов от подвижных источников;

· использованием графического пакета для Windows, работающего с картами-подложками и т.п.

Поскольку ПК "ГАРАНТ-УНИВЕРСАЛ" долгое время оставался единственным для ПЭВМ, он получил широкое распространение в Федеральных учреждениях, территориальных и местных природоохранных органах, на предприятиях и в организациях - природопользователях, а также в учебных институтах для подготовки специалистов экологического профиля.

Архитектура ПК обладает достаточной гибкостью и открытостью, что позволяет варьировать набор подсистем в соответствии с требованиями пользователей, дополнять систему необходимой нормативной документацией и новыми программными разработками.

3.2 Работа с разделами программы

Программный комплекс (ПК) "Гарант-отходы", разработанный ”НПО Фирма Гарант", предназначен для автоматизированного формирования и оформления Проекта нормативов образования отходов и лимитов на их размещение (ПНООЛР), автоматизированного расчета класса опасности отходов и нормативов образования отходов производства и потребления на основе имеющейся нормативной литературы, включая сборники удельных показателей по образованию отходов производства и потребления, а также контроля обращения отходов на городских предприятиях (учреждениях, организациях) и функционирует в среде Windows 95/98/Me/NT/2000/XP.

ПК "Гарант-отходы" позволяет быстро и высоко квалифицированно самостоятельно подготовить проект ПНООЛР в соответствии с "Методическими указаниями по разработке проектов нормативов образования отходов и лимитов на их размещение". Методические указания предназначены для индивидуальных предпринимателей и юридических лиц, осуществляющих деятельность (приступающих к осуществлению деятельности) в области обращения с отходами.