2. 6. Технологии диагностирования.

Научно-технический прогресс в последние десятилетия определяет необходимость пересмотра технологических основ диагностирования. Содержательная часть технологии определяется пространственно-временным режимом натурных наблюдений, результаты которых являются ключевыми для диагностирования, а выбор режима основывается на характерных масштабах измеряемых величин и их производных.

Временной режим натурных наблюдений можно разделить на три типа:

1) с временным интервалом 3 ч, совпадает с общепринятым режимом наблюдений в мировой практике. Он обеспечивает оперативное получение дополнительных экспериментальных данных к стандартным измерениям;

2) с периодичностью один раз в месяц, проводятся наблюдения ряда атмосферных компонентов и процессов. День определяется в соответствии с Международным геофизическим календарем при обязательном учете приоритетных регулярных мировых дней и регулярных мировых дней. В эти дни проводят ионосферные и геомагнитные наблюдения, а также наблюдения параметров атмо­сферного электричества и потоков УФ-излучения;

3) по самостоятельным программам (лидарные станции, самолеты-лаборатории, сложные комплексы коллективного пользования), режим работы зависит в основном от степени финансирования ввиду их относительной дороговизны.

Пространственный режим натурных наблюдений определяется для каждого региона с учетом географического масштаба и антропогенной нагрузки.

Учитывая трудоемкость натурных наблюдений, в последнее время все большее применение находят лабораторные техноло­гии, к которым относятся:

физическое моделирование как отдельных компонентов атмосферы, так и атмосферных процессов;

математическое моделирование, включая статистическое, на основе ранее накопленных материалов;

геоинформационные технологии.

Физическое моделирование, которое в общем случае является одним из наиболее эффективных и незаменимых экспериментальных методов исследований для земной атмосферы, во всем требуемом объеме для атмосферы осуществить невозможно. Так, для моделирования глобальной циркуляции необходимо геометрическое подобие земного шара с соответствующей воздушной оболочкой и центростремительным гравитационным полем, что в настоящее время технически не реализуемо. Однако, крайне необходима постановка экспериментов, связанных с взаимодействием оптического излучения с газами и аэрозолями.

Математическое моделирование является более эффективным методом, основанным на использовании результатов физических и численных экспериментов, например, высококачественные модели естественных и природных антропогенных воздействий на атмосферные процессы, обеспечивающие краткосрочные и долгосрочные прогнозы.

В последнее время в мировой практике компьютерного накопления, системного анализа и обобщения информационного материала распространение получили геоинформационные технологии (ГИС).

Геоинформационные технологии (ГИС) в методологическом отношении имеют принципиальную особенность заключающуюся в том, что при решении задач первостепенную роль играют параллельные ряды наблюдений в зонах с различной антропогенной нагрузкой. В связи с этим типовые ГИС необходимо соответствующим образом адаптировать к принятому международному формату.

В настоящее время наблюдаются некие противоречия между сравнительно новыми технологиями (физическое или математическое моделирование, ГИС) и отсутствием заметного прогресса в области технической инструментальной оснащенности.

Приоритетные задачи должны быть сформулированы с учетом развития имеющейся материально-технической базы в части как использования уникальных измерительных комплексов, так и реализации заделов по созданию и доведению до практического использования новых диагностических приборов и технологий.

Хорошо известно, что решение прикладных вопросов не может быть реализовано без проведения фундаментальных исследований, если рассматривать такое сложное природное образование, как земная атмосфера. Проведение таких исследований приносит успех только тогда, когда используется достаточно мощный арсенал уникальных измери­тельных средств, недооценка роли которых еще просматривается во многих национальных и даже международных проектах.

Перечень параметров, измеряемых в натурных условиях с помощью уникальных комплексов, на этапе исследований дополняется и развивается по пути создания новых приборов и методик измерений с более широкими по сравнению с имеющимися функциональными возможностями. Необходимость уточнения этого перечня диктуется также требованиями повышения оперативности, информационной емкости и автоматизации процессов измерений.

Инженерно-экологические вопросы охраны окружающей среды связаны с комплексной направленностью решения задач по изучению взаимодействия промышленного производства с окружающей средой. Одной из основных задач при этом является разработка и практи­ческое решение методов и технических средств экодиагностики в объеме проблемы загрязнения окружающей среды. Естественно, что неотъемлемым условием успеха следует считать осуществление с помощью современных средств и технологий экодиагностики и мониторинга с целью получения качественной и количественной информации о содержании во всех средах различных примесей.

Выделяют три категории постов наблюдений: стационарный, маршрутный и передвижной.

Стационарный пост предназначен для обеспечения регулярных наблюдений в одной точке из специального павильона, маршрутный - также для проведения регулярных наблюдений с помощью оборудованного для этих целей автомобиля, передвижной - для отбора проб воздуха под дымовым или газовым факелом промышленного предприятия.

Кроме наблюдений за содержанием в воздухе вредных веществ на всех постах проводятся измерения метеорологических параметров (направления и скорости ветра, температуры воздуха и др.), определяющих пере­нос и рассеяние веществ в атмосфере.

На стационарных и маршрутных постах наблюдения проводятся по одной из четырех программ: непрерывной, полной, неполной или сокращенной. Непрерывная программа осуществляется с помощью автоматических приборов. Наблюдения по полной программе выполняются дискретно в 1,7,13и 19 ч по местному декретному времени. По сокращенной программе наблюдения выполняются при температуре воздуха ниже -45 ⁰С и в местах, где концентрация примеси в 50 % случаев и чаще не превышает нижнего предела диапа­зона измерений применяемого метода.

Дальнейшее развитие сетей и совершен­ствование диагностических экологических технологий предполагает следующее:

дифференцированный подход к программе наблюдений на каждом посту;

широкое внедрение автоматизированных средств экодиагностики;

создание сети опорных постов;

переход от организации химических лабораторий в каждом городе к созданию крупных объединенных лабораторий, обслуживающих несколько населенных пунктов;

ограничение числа контролируемых веществ при наличии тесной связи между вредными веществами, выбрасываемыми одним источником. Содержание других веществ можно оценить по установленной предварительно корреляции между концентрациями веществ, содержащихся в выбросах.

Общим для автоматизированных систем экодиагностики, предназначенных для работы в городских условиях или масштабах отдельных регионов является их построение по централизованному принципу, т. е. сбор данных на периферийных станциях и датчиках и передача информации на центральный орган обработки и управления.

В состав автоматизированных систем контроля воздуха включают метеостанции или блоки измерения метеопараметров, набор которых может изменяться. Минимальный набор для диагностирования - скорость и направление ветра.

Максимальный включает измерение солнечной радиации, электропроводности воздуха, ИК- излучения, температуры, влажности и давления воздуха, интенсивности турбулентности, осадков.

При постоянном режиме выбросов вредных веществ колебания уровня загрязнения происходят под влиянием условия переноса и рассеяния примесей в атмосфере. Повышение концентраций примесей в конкретном районе зависит от определенных сочетаний метеорологических параметров. Чем точнее установлено это сочетание, тем с большей надежностью будут осуществляться предупреждения о возможном накоплении примесей в атмосфере. Сочетание метеорологических параметров, определяющих возможный при заданных выбросах уровень загрязнения атмосферы, называют потенциалом загрязнения атмосферы (ПЗА). Это характеристика противоположна рассеивающей способности атмосферы (РСА). Чем выше РСА, тем ниже ПЗА.

Различают метеорологический и климатический ПЗА. Метеорологический ПЗА включает сочетание наблюдаемых (или ожидаемых) метеорологических параметров в определенный период (ч, сут.) и используется при прогнозировании возможных изменений уровня загрязнения на короткие временные интервалы. Климатический ПЗА включает многолетние климатические характеристики. Поэтому он позволяет оценить ожидаемый в данном физико-географическом районе (при заданных выбросах) средний уровень загрязнения.

По физическим принципам действия, методам и способам организации работ приборы и устройства экодиагностики разделяют на контактные и дистанционные. Следует отметить, что в настоящее время для измерения ряда параметров (температуры, влажности, давления, уровня радиации, концентрации газов) разработано достаточно большое количество измерительных средств не только для целей решения задач эколого-метеорологического мониторинга, но и задач исследовательского, технического, бытового и специального назначения. Однако с учетом огромного количества факторов, действующих на измерительную аппаратуру в реальных условиях, а также требований соответствующих нормативно-технических документов, большинство хорошо зарекомендовавших себя в лабораторных условиях приборов можно считать непригодными для эксплуатации в реальных условиях.

Решение всех экологических проблем связано с развитием систем диагностирования, контроля и мониторинга на основе современных средств измерения большого числа диагностических параметров, анализа и мате­матического моделирования природных процессов и влияния на них деятельности человека.

При исследовании экологии атмосферы контролируют интенсивность солнечного излучения, выбросы вредных веществ (оксидов углерода, азота, углеводородов, серного ангидрида, аэрозолей и др.), атмосферное дав­ление, химический состав, диагностируют источники выбросов антропогенного происхождения, выпадение кислотных дождей и т.д.

При диагностировании экологических параметров и прогнозировании ресурсов материковой части Земли регистрируют колебания земной поверхности, картографируют состояние лесных массивов и посевов, движение песков, изучают химический состав и радиоактивность земной коры, параметры биосферы и техносферы, загрязненность почвы тяжелыми металлами и нефтепродуктами, электрические и магнитные поля, полезные ископаемые. Кроме непосредственных дистанционных измерений осуществляют отбор и подготовку проб для химического, бактериологического, гельминтологического анализа.

В качестве диагностических параметров водной среды в экодиагностике используют температуру, химический состав, излучательную и отражательную способность, прозрачность, соленость, кислотность, наличие нефтяных и других загрязнений, микробиогенных и зоогенных факторов, концентрацию ионов и другие.

Для многих направлений экологического диагностирования повышение точности и производительности измерений параметров загрязнений остается наиболее актуальным.

Комплексные экологические исследования позволят оценивать выделение загрязняющих веществ, их распространение и поглощение во всех сферах: в атмосфере, водной среде и почве. На первом этапе следует выявить состав параметров диагностирования, провести ранжировку их влияния на решение жизненно важных экологических проблем, определить взаимосвязь параметров с целью уточнения диагностических признаков и состава данных, необходимых для прогнозирования негативных изменений окружающей среды, а также ключевые параметры и характеристики мониторинга и документооборота.

Важнейшим общим направлением развития экодиагностики является интелектулизация и автоматизация методов, средств и технологий. Широкая номенклатура используемых средств требует оптимизации их применения для решения конкретных задач, как с точки зрения научно-технического уровня, так и соответствующих экономических затрат. Чем сложнее задача экодиагностики, тем в более комплексном виде она будет решаться с применением различных по физической сути диагностических методов, алгоритмов, средств мониторинга и компью­терных технологий.