Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Систематизация источников и состава поступлений загрязняющих веществ (ЗВ) в акватории. Анализ существующих методов экологического контроля, Цели и задачи работы. Обоснование приоритетного перечня контролируемых параметров и основные направления работ с использованием СПК.
1.1. Источники, объемы, состав поступлений ЗВ в акватории от береговых объектов . 29
1.2. Поступление ЗВ в акватории от подвижных источников.
1.3. Требования нормативных документов по контролю качества вод.
1.4. Анализ существующих методов экологического контроля, базирующихся на дискретном пробоотборе. Цели и задачи работы. Обоснование приоритетного перечня контролируемых параметров для СПК.
1.5. Основные направления работ с использованием СПК в системе государственных природоохранных органов и экологических служб ВС РФ.
Выводы. 82
Глава 2. Методология оперативного экологического контроля водных объектов с использованием мобильных носителей. Концепция построения судовых природоохранных комплексов как принципиально нового средства автоматизированного оперативного экологического контроля. Технический облик, структура, базовый состав, средства измерения.
2.1. Концепция (методология) оперативного контроля экологического состояния водных объектов на основе судовых природоохранных комплексов (СПК) . 84
2.2. Обоснование требований и разработка предложений 91
по техническому облику и структуре принципиально нового средства автоматизированного оперативного экологического контроля - СПК. Базовый состав СПК.
2.3. Средства измерения и- контроля судовых природоохранных комплексов.
2.3.1. Погружные измерители основных гидрофизикохимических показателей.
2.3.2. Система контроля радиационной обстановки. 117
2.3.3. Средства экспрессного гидрохимического анализа. 129
2.4. Специализированный комплекс средств, обеспечивающий заглубление и буксировку измерителей и непрерывный пробоотбор.
2.5. Аппаратура дистанционного оптического лоцирования водной поверхности для обнаружения пленок нефти и нефтепродуктов и комплект приборов для отбора проб с поверхности воды и измерения толщины пленки.
2.6. Аппаратура ультразвукового зондирования толщи воды.
2.7. Средства визуального наблюдения. 169
2.8. Средства анализа и представления информации. 171
2.8.1. Центральная вычислительная система (ЦВС). 171
2.8.2. Географическая информационная система (ГИС) эколога.
2.9. Устройства пробоотбора и стандартные аналитические приборы.
2.9Л. Устройства отбора проб донных отложений и пробоотборные системы для отбора проб воды.
2.9.2. Стандартные аналитические приборы. 181
2.10. Судовые природоохранные комплексы. 183
Выводы. 184
Глава 3. Организация и методы обработки информации в судовых природоохранных комплексов.
3.1. Обобщенная схема обработки информации в СПК. 187
3.2. Алгоритмы автоматизированного определения физикохимических показателей свойств воды, измеряемых с помощью погружных преобразователей.
3.3. Алгоритмы определения концентрации загрязняющих веществ с помощью проточных анализаторов.
3.4. Алгоритмы определения параметров радиационной обстановки.
3.5. Алгоритмы обработки информации канала ультразвукового зондирования толщи воды (УЗК) и оптического локатора поверхности воды.
3.6. Алгоритмы автоматического выделения аномалий. 207
3.7. Алгоритм автоматизированной оценки объема сброса загрязняющих веществ при маневрировании судна с СПК в районе загрязнения,
3.8. Алгоритмы визуализации, документирования и архивирования информации (интерфейс "оператор-система"),
3.9. Методические основы построения распределения характеристик состава и свойств воды по площади акватории по данным измерений с помощью СПК.
5 Метод разграничения поверхностных вод разного происхождения и выделения аномальных зон по совокупности результатов измерений, полученных с помощью СПК по разным показателям.
3.11. Методы анализа корреляционных связей между измеряемыми параметрами при исследовании характеристик состава и свойств водной среды.
3.12, Метод обнаружения экологических аномалий техногенного происхождения и классификации типа их источников с использованием возможностей СПК.
Выводы. 247
Глава 4. Методы использования СПК и анализ результатов натурной апробации в различных регионах,
4.1. Методы использования СПК и их отличительных особенностей при решении природоохранных задач.
4.2. Опыт обеспечения экологической безопасности деятельности Вооруженных Сил с применением СПК.
4.2.1. Экологический мониторинг в районе подъема судна с радиоактивными отходами на Ладожском озере.
4.2.2. Контроль за воздействием на природную среду при проведении испытаний и отработке новой техники.
4.2.3. Экологический мониторинг водных гаваней Кронштадта, Ломоносова и Севастополя.
4.3. Экологический мониторинг акваторий с применением СПК в районах расположения потенциально экологически опасных объектов,
4.4. Экологический мониторинг внутренних и морских водных объектов с применением СПК,
4.5. Анализ результатов практического использования предложенных методов обработки и представления многопараметрической информации СПК.
4.6. Практическая значимость создания и внедрения в практику экологического контроля и мониторинга судовых природоохранных комплексов.
Выводы 383
Выводы 385
Литература 389
Приложение
- Источники, объемы, состав поступлений ЗВ в акватории от береговых объектов
- Концепция (методология) оперативного контроля экологического состояния водных объектов на основе судовых природоохранных комплексов (СПК)
- Обобщенная схема обработки информации в СПК.
Введение к работе
Актуальность темы. Экологическая безопасность — одна из стратегических задач государства. Усиливающееся в последнее десятилетие антропогенное воздействие на окружающую среду различных отраслей промышленности, сельского и коммунального хозяйства ставит вопросы экологической безопасности по их важности в один ряд с вопросами политической стабильности и межгосударственных отношений. Наряду с военной и экономической, экологическая безопасность является основой устойчивого развития страны.
Одной из глобальных экологических проблем является проблема обеспечения экологической безопасности водных объектов — основы жизнедеятельности ныне живущих и будущих поколений.
Как известно, нашу цивилизацию с большим основанием можно назвать прибрежной или морской, поскольку более 50% населения планеты проживает в прибрежной зоне (на расстоянии до 200 км от моря). Средняя плотность населения в прибрежной зоне примерно в 2,5 раза выше, чем плотность населения всей суши (70 чел/км ). Выход к морю имеют около 140 государств. Следствием этого является растущее антропогенное загрязнение вод Мирового океана и особенно его прибрежной зоны.
На территории РФ - в пределах российской акватории расположено около 60 морских торговых и военных портов и портовых пунктов, которые являются интенсивными источниками загрязнения прибрежных вод. Строятся новые порты и нефтяные терминалы. Следует отметить наличие 3-х основных постоянных источников загрязнения морских прибрежных вод: загрязненные воды, выносимые в море с речным стоком, районы нефте- и газодобычи на морском шельфе, а также места скопления судов и проведения погрузо-разгрузочных операций, то есть акватории портов и внешних рейдов.
Водные объекты являются своеобразным аккумулятором загрязняющих веществ (ЗВ), поступающих в акватории в результате
деятельности промышленных и сельскохозяйственных предприятий, водного транспорта и его инфраструктуры, объектов коммунально-бытового назначения, а также за счет неблагоприятных атмосферных воздействий и т.д. В связи с этим, необходимо осуществлять комплексный и оперативный контроль содержания ЗВ в акваториях, чтобы своевременно предпринимать меры по предотвращению неблагоприятного развития экологической обстановки.
Существенный вклад в ухудшение экологической ситуации в местах своего базирования, наряду с гражданскими объектами, вносили и вносят подразделения и предприятия Военно-морского флота.
Это связано с большим количеством передвижных и стационарных объектов, являющихся источниками загрязнения природных вод, которыми располагает флот.
В соответствии с Законом РФ "Об охране окружающей природной среды", 1991 г., ст.55 [1], экологические требования, предъявляемые к размещению, строительству, вводу в эксплуатацию и эксплуатации предприятий, сооружений и иных объектов, в полной мере относятся как к гражданским объектам и гражданской деятельности, так и к военным и оборонным объектам, военной деятельности, к дислокации войск и военной техники.
Возможности практической реализации усилий, направленных на улучшение экологической ситуации в местах базирования гражданского флота и ВМФ, были ограничены из-за отсутствия до последнего времени в распоряжении природоохранных служб технических средств и соответствующего методического обеспечения для осуществления оперативного инструментального контроля экологического состояния водной среды и донного грунта в прибрежной зоне морей. Экологический контроль в основном ограничивался визуальным наблюдением за загрязнениями поверхности моря нефтью и нефтепродуктами. В то же время перед
подразделениями экологических служб стоит проблема организации контроля по всем приоритетным загрязняющим веществам гидросферы.
Как известно, в настоящее время значительная часть гражданских портов и баз ВМФ располагается в городах или вблизи городов с неблагоприятной экологической обстановкой или находится в регионах, отнесенных к зонам повышенной экологической опасности. В частности, работы в рамках Федеральной целевой программы "Экологическая безопасность России", выполненные под научным руководством и непосредственном участии автора [2], а также более поздние публикации [3], подтвердили наличие неблагоприятной экологической обстановки в военно-морских базах Северного флота, расположенных в Мурманской и Архангельской областях.
Одной из причин такого состояния является наличие в базах флота и эксплуатация экологически опасных объектов, в число которых входят склады оружия и ГСМ, заправочные станции, пункты окраски, хранилища загрязненных вод (в том числе вод, загрязненных нефтепродуктами), а также судостроительные и судоремонтные предприятия. Эти объекты являются мощными источниками непосредственных сбросов сточных вод в акватории в местах своего расположения, в то время как эти акватории и без того значительно загрязнены промышленными, сельскохозяйственными и бытовыми стоками гражданских объектов.
Таким образом, при определении уровня загрязненности морских вод в местах расположения портов и базирования объектов ВМФ для выявления источников загрязнения необходимо контролировать поступления токсичных примесей с пресноводными стоками от наземных объектов. Эти задачи призваны решать как органы экологического контроля, находящиеся в ведении Государственной службы контроля в сфере природопользования и экологической безопасности Министерства природных ресурсов Российской Федерации (МГТР РФ), так и экологические службы ВМФ.
Общность решаемых технических задач при создании средств
экологического контроля для гражданских и военных служб экологической
безопасности, например, при определении перечня контролируемых
параметров, выборе инструментального парка, методик выполнения
измерения и т.д., дает возможность осуществлять отработку приборно-
методического обеспечения, методик (моделей) использования
разрабатываемых средств экологического контроля, набор
экспериментального материала и его последующую обработку и анализ как с использованием средств контроля экологического состояния водных объектов ВМФ, так и МПР РФ.
Такое объединение усилий обеспечит совместимость информационных систем и баз данных о состоянии окружающей среды и, в конечном итоге, создаст условия для формирования и защиты государственных информационных ресурсов в этой сфере (Постановление Правительства РФ от 31.03.2003 г. № 177 "Об организации и осуществлении государственного мониторинга окружающей среды (государственного экологического мониторинга)").
Повышенные антропогенные нагрузки на окружающую среду, особенно в районах крупных промышленных центров, портов и мест базирования кораблей и объектов Вооруженных Сил, привели к тому, что проблемы своевременного выявления загрязнения водных объектов, локализации очагов загрязнений и предотвращения негативных последствий неблагоприятных экологических ситуаций приобрели особую актуальность и первостепенное значение.
Использующиеся традиционные методы и средства, включающие отбор проб, их транспортировку и лабораторный анализ методами "мокрой" химии, не обеспечивают необходимой оперативности, производительности и статистической достоверности результатов в масштабах контролируемых акваторий. Эти методы и средства измерения малопригодны для автоматизации процесса анализа.
Возросшие в последнее время требования к допустимым уровням загрязнения окружающей природной среды, введение новых актов природоохранительного законодательства привели к необходимости разработки и создания новых комплексных средств автоматизированного оперативного контроля экологического состояния водных объеьсгов на основе специально разработанных методов и средств экспрессного гидрофизикохимического анализа, мобильных носителей и современных информационных технологий [4-10].
Выполненные на стадии подготовки данной работы проработки [11]и их натурная апробация [84, 85] показали, что реализация нового подхода к решению проблемы контроля экологического состояния водных объектов и обеспечения их экологической безопасности, который в отличие от традиционных методов позволяет производить комплексное автоматизированное оперативное измерение основных показателей состава и качества воды непосредственно на месте инспектирования, может быть осуществлена путем разработки и создания судовых природоохранных комплексов (СПК) [12-16].
Актуальность создания и развития средств автоматизированного оперативного контроля экологического состояния водных объектов, в том числе развития и совершенствования природоохранного флота России, основу инструментального оснащения которого составляют судовые природоохранные комплексы, отмечена в важнейших документах, направленных на обеспечение экологической безопасности страны, к которым относятся:
"Морская доктрина Российской Федерации на период до 2020 г." (утверждена Президентом Российской Федерации 27 июля 2001 г. № Пр-1387);
"Экологическая доктрина Российской Федерации" (одобрена распоряжением Правительства РФ от 31 августа 2002 г. № 1225-р);
"Долгосрочная программа действий Министерства природных ресурсов РФ в части разведки и использования природных ресурсов и обеспечения охраны окружающей среды" (утверждена Приказом МПР России от 21 августа 2001 г. № 599).
Комплексное использование и информационное объединение средств оперативного экологического контроля и мониторинга уже позволило внести существенный вклад в обеспечение экологической безопасности страны.
В связи с вышеизложенным тема диссертационной работы является актуальной.
Целью диссертационной работы является разработка методологии оперативного многопараметрического экологического контроля водных объектов с использованием мобильных носителей, создание на этой основе автоматизированных судовых природоохранных комплексов и внедрение их в практику государственного экологического контроля и мониторинга.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие научно-технические задачи:
- систематизировать основные виды техногенных воздействий на
водные объекты, проанализировать и оценить эффективность существующих
методов экологического контроля;
- обосновать приоритетный перечень контролируемых показателей для
мобильных средств оперативного экологического контроля и мониторинга -
СПК;
разработать концепцию (методологию) автоматизированного оперативного контроля экологического состояния водных объектов на основе СПК;
- разработать и обосновать идеологию построения, технический облик,
структуру и базовый состав и создать на этой основе СПК;
- разработать и обосновать требования, научно-методические и
технические решения и создать на их основе средства измерения (СИ) и
систему непрерывного пробоотбора (СНП), обеспечивающие в составе СПК реализацию методологии оперативного экологического контроля;
разработать новые методы и алгоритмы обработки многоканальной информации СПК на основе геоинформационных технологий;
сформулировать основные направления работ и разработать методы использования СПК при решении природоохранных задач;
- подтвердить обоснованность предложенных научно-технических
решений в натурных условиях на основе специально созданного
экспериментального образца;
- оценить эффективность разработанных методов и средств
оперативного экологического контроля с использованием СПК,
установленных на судах различных проектов, по результатам
широкомасштабных экспедиционных работ в различных регионах России.
Совокупность сформулированных выше цели и задач составляет основу решаемой в данной диссертационной работе крупной научно-технической проблемы, имеющей важное народнохозяйственное значение и связанной с экологической безопасностью страны: разработка, обоснование и внедрение в практику методологии оперативного экологического контроля и мониторинга водных объектов на основе автоматизированных СПК. Научная новизна работы заключается в следующем: 1, Впервые разработана и сформулирована концепция автоматизированного оперативного экологического контроля и мониторинга водных объектов на основе мобильных носителей, нацеленная на обеспечение экологической безопасности водных объектов. Основу концепции составляет совокупность предложенных автором принципов построения технических средств автоматизированного оперативного контроля экологического состояния водных объектов, в том числе:
- мобильность, т.е. выполнение экологического контроля в реальном
масштабе времени по ходу движения судна;
многогоризонтность, т.е. осуществление измерений как одновременно, так и попеременно на разных горизонтах (глубинах) по ходу движения судна;
- непрерывность измерений in situ и на борту судна за счет
непрерывной подачи проб воды с разных глубин;
многоканальный (многопараметрический) режим измерений основных показателей состава и свойств водной среды;
анализ, обработка и выдача пользователю в реальном масштабе времени больших массивов многопараметрической экологической информации непосредственно на борту судна-носителя в процессе выполнения им природоохранных задач;
двухступенчатый режим экологического контроля, включающий на первом этапе - непрерывные автоматизированные экспрессные измерения, получение и обработка информации на борту судна и принятие решения об обнаружении зоны загрязнения; на втором этапе - отбор проб по показаниям экспрессных методов и детальный анализ с использованием стандартных аналитических приборов.
Эти принципы направлены на повышение производительности, эффективности и объективности контроля.
2. Впервые на основе предложенной концепции сформулированы требования и разработаны научно-обоснованные предложения по техническому облику и структуре принципиально нового средства автоматизированного оперативного экологического контроля - судового природоохранного комплекса (СГІК) как открытой системы в модульном исполнении, состав которой может варьироваться в зависимости от круга решаемых задач и характера водного объекта.
Определен, обоснован и апробирован в натурных условиях базовый состав СПК, обеспечивающий решение основных природоохранных задач в режиме движения судна-носителя.
3. Разработаны и обоснованы требования, предложены научно-
методические и технические решения, на основе которых созданы СИ и СНП
для СПК, разработаны методики стендовых и натурных испытаний СИ.
Указанная совокупность научно-методических решений и разработок
направлена на обеспечение приборно-методического единства при
формировании государственной информационной базы экологического
мониторинга и контроля.
4. Впервые предложен и реализован на практике метод непрерывного
многопараметрического горизонтального гидрофизикохимического
профилирования акваторий на выбранных глубинах с помощью СПК и
геоинформационных технологий.
5. Предложены и реализованы новые методы и технологии
экологического мониторинга и контроля водных объектов с использованием
СПК, которые позволяют осуществлять:
- построение распределений показателей состава и свойств воды по
площади акватории;
- выявление аномальных зон и разграничение вод разного
происхождения;
определение корреляционных связей между измеряемыми показателями;
классификацию типа источников техногенных загрязнений: стационарный или подвижный.
Научные положения и результаты., выносимые на защиту:
1. Методология автоматизированного оперативного контроля и
мониторинга экологического состояния водных объектов на основе
мобильных носителей и непрерывных многогоризонтных измерений.
2. Концепция построения и создание на основе предложенных схемных
и аппаратурных решений СПК - принципиально нового мобильного средства
автоматизированного оперативного экологического контроля гидросферы.
Выбор и обоснование новых средств аппаратурного обеспечения и системы непрерывного пробоотбора в составе СПК.
Методы обработки информации, связанные с качественно новыми возмолшостями СПК при проведении экологического контроля и
мониторинга.
5. Методология использования созданных средств при решении
различных природоохранных задач и результаты широкомасштабных
экспериментальных исследований, выполненных с использованием СПК в
различных регионах страны.
Практическая значимость и реализация результатов работы состоит в том, что разработанный и апробированный в диссертационной работе новый научно-методический подход к решению задач комплексного автоматизированного оперативного контроля экологического состояния водных объектов использовался как для решения актуальных научно-технических задач изучения экологического состояния водных объектов, динамики этого состояния и обеспечения экологической безопасности, так и для решения прикладных задач, имеющих в настоящее время важное практическое значение для народного хозяйства, в том числе:
впервые разработаны, изготовлены и введены в эксплуатацию уникальные комплексы оперативного экологического контроля водной среды "Акватория-50", "Волга", "Акватория-502", "Акватория-2М\ "Акватория-2С", "Акватория-Д", "Акватория-Байкал", включающие специально разработанные функционирующие при движении судна в реальном масштабе времени погружные измерители гидрофизикохимических показателей (ГФХП), многокомпонентные приборы непрерывного проточного анализа проб воды, дистанционные средства контроля, а также другие специализированные системы и устройства контроля и наблюдения. Комплексы обеспечивают получение информации в реальном масштабе времени с привязкой к географическим координатам.
Созданные судовые природоохранные комплексы составили основу приборно-методического оснащения судов природоохранного флота России [17-28];
впервые для Вооруженных Сил Российской Федерации разработаны и изготовлены специализированный комплекс оперативного экологического контроля водной среды "Гвоздь-К" и судовой комплекс средств для обеспечения экологической безопасности "Златица" [16, 29];
впервые в практике природоохранных органов страны с помощью СПК на основе единой аппаратурно-методической базы в режиме непрерывных многопараметрических измерений сформированы базы экологических данных по основным показателям качества воды для Волги> Северного Каспия, Невско-Ладожской водной системы, оз.Байкал и других водных объектов;
разработаны рекомендации и методические указания по использованию СПК на судах-носителях различного типа. Показаны новые возможности СПК в сравнении с традиционными методами экологического контроля при решении задач экологическими службами ВС, природоохранными и контрольно-инспекционными органами РФ;
утверждены в качестве типа средств измерения и зарегистрированы Госстандартом РФ в Государственном реестре специально разработанные средства измерения, в том числе погружная аппаратура для контроля удельной радиоактивности воды, проточные анализаторы с различными типами детекторов для измерения концентрации загрязняющих веществ [7-11,30-35];
разработаны, изготовлены и используются в СПК специализированные комплексы средств, обеспечивающие буксировку с кормы и в миделе природоохранного судна-катамарана заглубляемого буксируемого комплекса с измерителями, включая аппаратуру для контроля удельной радиоактивности воды, гидрофизикохимических показателей, и
системой непрерывного пробоотбора - новым разработанным средством автоматизированного отбора проб, сертифицированным Госстандартом РФ [36-38];
в ходе создания мобильных комплексов оперативного экологического контроля были разработаны программы и методики и успешно проведены Государственные испытания этих комплексов и их опытная эксплуатация. Осуществлена передача комплексов территориальным комитетам и инспекциям МПР РФ, где с начала девяностых годов они успешно используются в работе соответствующих подразделений [39-49]. Судовой комплекс оперативного экологического контроля водной среды "Гвоздь-К" и судовой комплекс средств для обеспечения экологической безопасности "Златица" переданы Управлению Начальника экологической безопасности Вооруженных Сил РФ. Комплекс "Гвоздь-К" эксплуатируется органами экологической безопасности Ленинградской военно-морской базы. В Севастополе - военно-морской базе Черноморского Флота России проведены натурные испытания комплекса "Златица";
созданы учебные пособия и методики подготовки инспекторских кадров, созданы необходимые методические и регламентирующие документы для эксплуатации мобильных комплексов оперативного экологического контроля. Разработаны, созданы и внедрены в практику специализированные стенды и тренажеры, поведено обучение операторов территориальных комитетов МПР РФ и органов ВС РФ, использующих созданные технические средства [32, 50];
в период освоения и эксплуатации территориальными инспекционными органами МПР РФ и ВС РФ судовых природоохранных комплексов были осуществлены и внедрены в практику комплексные экспедиции по изучению экологической обстановки в акваториях, наиболее подверженных техногенному воздействию, в частности, бассейна Средней и
Нижней Волги, Северного Каспия, Азовского моря, Северо-Западного региона, а также в особо охраняемых водных объектах (озеро Байкал) [39, 40, 43, 47, 48, 49, 24]. Это позволило, основываясь на получаемых в реальном масштабе времени результатах измерений, непосредственно на борту судна оценивать качество природных поверхностных вод в этих регионах, включая акватории в промышленных зонах крупных городов, порты, места базирования кораблей ВМФ, объекты повышенной экологической опасности (Ленинградская АЭС, нефтяные терминалы и т.д.), и оперативно выявлять зоны и источники наиболее опасных техногенных загрязнений, а также сформировать уникальные базы данных, регулярно пополняемые результатами ежегодных исследований и позволяющие контролировать динамику экологической обстановки в указанных акваториях;
суда, оснащенные природоохранными комплексами оперативного экологического контроля, широко используются для выполнения экологических разделов и определения воздействия на окружающую среду (ОВОС) при разработке технико-экономических обоснований строительства новых портов, сложных гидротехнических сооружений, в том числе, строительства портов в Усть-Луге, Приморске [44];
территориальными инспекционными органами МПР РФ и экологическими службами ВС РФ суда, оснащенные СПК, активно используются для оперативного контроля экологической обстановки в режиме аварийных и чрезвычайных ситуаций, в частности, при подъеме и удалении из акватории Ладожского озера полузатопленного судна "Кит" с жидкими радиоактивными отходами (1991 г.), при ликвидации последствий аварии в акватории Невы танкера "Нефтерудовоз-7" с грузом нефтепродуктов (1999 г.), при ликвидации аварийной экологической ситуации в акватории Невской губы, связанной с загрязнением внешнего рейда Кронштадта в результате столкновения рефрижератора "Нордландия" и сухогруза (2000 г.);
впервые в практике государственных контролирующих служб при
ликвидации аварийной ситуации, связанной с посадкой на мель в акватории
Невы танкера "Нефтерудовоз-7" с грузом нефтепродуктов и утечкой
нефтепродуктов в Неву, был реализован авиационно-корабельный комплекс
экологического контроля в составе патрульного катера "Экопатруль-1",
оснащенного СПК "Акватория", и самолета-лаборатории ИЛ-103 ЭКП, что
обеспечило успешное выполнение операции и внедрение в практику
принципа комплексного использования средств экологического контроля
разной поисковой производительности с передачей и обменом экологической
информацией в реальном масштабе времени (1999 г.);
в ходе эксплуатации СПК проведена верификация методик
выполнения измерений показателей состава и свойств воды, реализованных в
мобильных комплексах оперативного экологического контроля, и методик,
использующихся в стационарных аналитических лабораториях контроля
качества поверхностных вод. Получено хорошее совпадение результатов
измерений [43].
Разработанный в представленной диссертации методологический подход, научно-методические и практические рекомендации, предложения и методики, результаты широкомасштабных натурных исследований были реализованы при выполнении научно-технических программ по созданию и освоению судовых природоохранных комплексов и оснащению ими природоохранного флота России в ЗАО "Ассоциация предприятий морского приборостроения", ЗАО "Научно-производственное объединение Транит-НЭМП", ЗАО Транит-7", ОАО "Морской завод "Алмаз", ФГУП "ВостСибНИИГГиМС" МПР РФ, спецморинспекциях МПР РФ.
Результаты работы используются также в ходе производственной практики, при выполнении курсовых проектов и дипломных работ и в учебных процессах в Российском государственном гидрометеорологическом университете, СПб государственном электротехническом университете
(ЛЭТИ), СПб государственном техническом университете, СПб государственном технологическом институте (техническом университете), Военно-космической академии им. А.Ф. Можайского (кафедра военной экологии).
В работе использован комплексный подход к решению рассматриваемой проблемы, базирующийся на широком применении методов гидрофизики, гидрохимии, гидрооптики, ядерной гидрофизики, ультразвуковой техники в сочетании с современными вычислительными средствами и ПМО, обеспечивающими обработку и анализ большого объема многоканальной многопараметрической информации, представление ее в виде, удобном для пользователя, архивирование и картирование результатов экологического контроля акватории, формирование и пополнение базы данных экологической информации, ведение геоинформационной системы (ГИС) эколога. Решение поставленных задач обеспечивалось широкомасштабными натурными исследованиями как в ограниченных районах интенсивных антропогенных воздействий, так и в акваториях, расположенных на территории нескольких субъектов Российской Федерации, при проведении длительных экспедиционных работ.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на Научно-технических Советах Государственного Комитета по экологии и защите окружающей среды РФ, Министерства охраны окружающей среды и природных ресурсов РФ, Управления Начальника экологической безопасности Вооруженных Сил РФ, а также на международных и российских научных конференциях и совещаниях:
Научно-техническая конференция "Техника и технология защиты окружающей среды" (Ленинград, 1990);
I Всероссийский семинар - совещание по вопросам охраны, регулирования и контроля за использованием морской среды и природных
ресурсов территориальных вод, континентального шельфа и экономической зоны Российской Федерации (Новороссийск, 1991);
- II Всероссийский семинар - совещание по вопросам охраны,
регулирования и контроля за использованием морской среды и природных
ресурсов территориальных вод, континентального шельфа и экономической
зоны Российской Федерации (Санкт-Петербург, 1992);
IX Международное совещание "Автоматизация процессов управления техническими средствами исследования и использования Мирового океана" (Санкт-Петербург, 1994);
V Санкт-Петербургская Международная конференция "Региональная информатика-96" (Санкт-Петербург, 1996);
Научно-техническая конференция "Катера России" (Санкт-Петербург, 1996);
- Всероссийская научно-техническая конференция "Экологический
мониторинг. Проблемы создания и развития Единой государственной
системы экологического мониторинга (ЕГСЭМ)" (Москва, 1996);
Первая Санкт-Петербургская международная конференция "Международные и национальные аспекты экологического мониторинга" (Санкт-Петербург, 1997);
- IV Международная конференция "Освоение шельфа арктических
морей России (RAO-99)" (Санкт-Петербург, 1999);
- VIII (Юбилейная) Санкт-Петербургская Международная конференция
"Региональная информатика - 2002" (Санкт-Петербург, 2002);
- Межвузовская научная конференция "Проблемы эксплуатации
вооружения, военной техники и подготовки инженерных кадров ВМФ"
(Санкт-Петербург, 2003).
О признании научной общественностью достоверности, научной и практической значимости полученных автором результатов свидетельствуеі присвоение автору званий лауреата премии Правительства Российской Федерации в области науки и техники (1995 г.) и лауреата Государственной
премии Российской Федерации в области науки и техники (2002 г.)
Публикации. Основные результаты диссертационной работы
отражены в 50 научных публикациях, в том числе, одной монографии, одном
сборнике, 16 патентах и авторских свидетельствах, 11 статьях в
рецензируемых научно-технических журналах (в т.ч. "Экологические
системы и приборы", "Мониторинг. Безопасность жизнедеятельности",
"Экологическая химия"), 12 информационных картах на отчетные
материалы, включенные в Государственный банк данных (Национальный
библиотечно-информационный фонд Российской Федерации при
Всероссийском научно-техническом информационном центре
Минпромнауки РФ).
Личный вклад автора. Основные научные результаты, изложенные в диссертации, получены либо непосредственно автором, либо под его руководством (соруководством) и являются итогом двадцатилетней деятельности автора в указанных направлениях. Методология разработанного подхода к решению проблемы оперативного экологического контроля водных объектов, концептуальные аспекты работы, в том числе, основные направления разработки СПК, а также наиболее важные комплексные решения при проектировании технических средств СПК, методики лабораторных и натурных испытаний специально разработанных средств измерения и СПК в целом, программы и методики выполнения широкомасштабных экспедиционных работ, осуществленных в разных регионах России, проведение обработки и теоретического анализа полученных данных, позволившие обосновать основные принципы, заложенные в основу СПК, и подтвердить правильность принятых научно-технических решений, предложены, разработаны и выполнены либо лично автором, либо при его непосредственном участии.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы, включающего 221
наименование, и приложения. Материалы диссертации изложены на 414 страницах текста, включая 44 таблицы и 70 рисунков.
В первой главе рассмотрено современное экологическое состояние прибрежной морской зоны и внутренних акваторий в районах базирования объектов, включая объекты ВС РФ, являющихся источниками техногенных загрязнений, Невского-Ладожского водного бассейна, Арктического бассейна, Волжского бассейна, районов озера Байкал и Севастопольской бухты. Проведены анализ и классификация источников, объемов, состава поступлений ЗВ в акватории от береговых и подвижных объектов. Отмечено, что характер и механизм поступлений ЗВ в акватории требуют организации системы эффективного экологического контроля, которая обеспечила бы возможность выполнения задач, стоящих перед государственными контрольно-инспекционными органами и экологическими службами ВС РФ -выполнение требований государственных нормативных документов и нормативных документов ВС РФ, направленных на своевременное принятие управляющих решений по поддержанию требуемого качества окружающей, и в частности, водной среды.
Проведен анализ использующейся технологии экологического контроля и мониторинга водных объектов, который показал, что подход, базирующийся на периодическом отборе проб, их последующей доставке и анализе в стационарных береговых лабораториях, не обеспечивает производительность, оперативность и статистическую представительность результатов наблюдений и, следовательно, в большинстве случаев не может адекватно отражать реальную картину техногенного воздействия на окружающую среду и служить основой для принятия управляющих решений, что в конечном итоге и является целью экологического контроля и мониторинга.
В заключительной части первой главы сформулированы цели работы и научно-технические задачи, решение которых позволит организовать и обеспечить оперативный автоматизированный контроль экологического
состояния водных объектов в местах интенсивных техногенных воздействий, в том числе, в местах размещения объектов ВС РФ. Научно-техническим направлениям, способным обеспечить решение поставленных задач, является разработка концепции оперативного экологического контроля и мониторинга с использованием мобильных носителей, создание на этой основе и внедрение СПК. Обоснован приоритетный перечень контролируемых параметров для СПК.
Определены и сформулированы основные направления работ с использованием СПК в системе государственных природоохранных органов и экологических служб ВМФ. Отмечены отличительные особенности СПК, использование которых позволяет принципиально по-новому решать вопросы контроля экологического состояния акваторий.
Вторая глава посвящена разработке концепции оперативного экологического контроля водных объектов и ее научно-техническому воплощению, представляющему собой принципиально новое средство мобильного автоматизированного оперативного экологического контроля -СПК.
Концепция базируется на принципах мобильности,
многогоризонтности, непрерывности и многоканальном
(многопараметрическом) режиме измерений, предусматривает анализ, обработку и выдачу пользователю информации в реальном масштабе времени и двухступенчатый режим экологического контроля. Отмечено, что эти принципы направлены на повышение производительности, эффективности и объективности экологического контроля.
Далее в главе обоснованы требования и разработаны предложения по техническому облику и структуре СПК, определен его базовый состав. Рассмотрены вопросы разработки научно-методических и технических решений и создание СИ на их основе, обеспечивающих в составе СПК реализацию методологии оперативного экологического контроля. Обобщена и структурирована информация по составу, техническим и эксплутационным
характеристикам созданных СПК, установленных на судах различного водоизмещения, в том числе на судах ВМФ, эксплуатирующихся в различных регионах России.
В третьей главе диссертации основное внимание уделено методам обработки информации в СПК. Организация обработки информации позволяет осуществлять непрерывные автоматизированные измерения гидрофизикохимических параметров водной среды и концентрации ЗВ в реальном масштабе времени и включает специально разработанные методы, связанне с качественно новыми особенностями СПК, такими как много канал ьность, непрерывность измерений, много горизонтность и т.д. Предложенные методы с использованием ГИС-технологий позволяют картировать результаты многокомпонентных измерений, выделять и картировать зоны с аномальными значениями параметров, осуществлять межканальную обработку и т.д.
В четвертой главе предложены и обоснованы методы использования СПК и их отличительных особенностей при решении природоохранных задач - экологического контроля и мониторинга, в том числе акваторий большой площади и протяженности, оперативного выявления участков акватории с повышенным антропогенным воздействием, оперативного определения характера и масштабов изменений экологической обстановки, а также прогнозирования ее развития. Глава содержит обширный экспериментальный материал и анализ результатов многолетней натурной апробации созданных СПК в различных регионах России, в том числе анализ результатов экологического мониторинга объектов ВС РФ, экологического сопровождения натурных испытаний военной техники. Приведены и проанализированы результаты многочисленных широкомасштабных экспедиционных работ, впервые выполненных природоохранными органами России. На основе полученных результатов созданы и поддерживаются обширные базы данных, которые используются для анализа и прогнозирования экологической ситуации в различных регионах страны -
Северо-Запад, бассейн Волги, Северный Каспий, Азово-Черноморский бассейн, озеро Байкал и т.д.
Отмечено, что внедрение в практику работы природоохранных органов судов, оснащенных СПК, позволило существенно улучшить организацию и эффективность выполнения работ, связанных с экологическим контролем и мониторингом.
На основании полученных результатов сделан вывод, что впервые разработана, обоснована и внедрена в практику методология оперативного экологического контроля и мониторинга водных объектов на основе новых инструментальных средств автоматизированных СПК.
Источники, объемы, состав поступлений ЗВ в акватории от береговых объектов
Источники, объемы и состав загрязняющих веществ (ЗВ), поступающих в морские и внутренние водные объекты, рассмотрены в ряде работ, например [51-61], где отмечается, что источниками загрязнения бассейна морей могут быть:
1) непосредственные сбросы в водный бассейн в прибрежной полосе сточных вод, пульп и твердых отходов, образующихся в результате функционирования береговых объектов как гражданского, так и военного назначения;
2) сбросы с объектов нефте- и газодобычи на морском шельфе, а также сбросы с морских судов и кораблей хозяйственно-бытовых стоков, мусора и преднамеренные сбросы ЗВ и отходов с целью их захоронения в море;
3) загрязнение морской гидросферы за счет веществ, поступающих из атмосферы в результате их переноса воздушными потоками (один из наиболее ярких примеров - "чернобыльский след"), выбросов в атмосферу отходящих горячих газов крупных промышленных производств - эти газы содержат такие ЗВ, как СО, БОг, NOx, пыль, аэрозоли металлов (действие этого источника загрязнения гидросферы в полной мере распространяется и на внутренние водные объекты);
4) эпизодическим фактором загрязнения могут являться катастрофы в акваториях, особенно опасные в случае нефтеналивных танкеров, а также кораблей и судов с ядерно-энергетическими установками на борту.
Следует отметить, что навигационные происшествия с нефтеналивными судами имеют место как для морских, так и для внутренних водных объектов. Достаточно вспомнить аварию с танкером "Нефтерудовоз-7", имевшую место в акватории Невы в 1999 г. и повлекшую поступление в водную среду значительного количества мазута.
Среди основных источников загрязнения внутренних водных объектов отмечаются следующие [52]:
1) недостаточно очищенные хозяйственно-бытовые сточные воды населенных пунктов и промышленные сточные воды;
2) поверхностные стоки с территорий населенных пунктов, сельскохозяйственных производств и угодий, на которых используются удобрения и ядохимикаты;
3) сбросы с речных судов и кораблей хозяйственно-бытовых стоков и мусора.
Литературные данные свидетельствуют, что как для внутренних водных объектов, так и для прибрежной зоны морей, одним из основных источников поступлений ЗВ являются сбросы сточных вод береговых гражданских и военных объектов, а также речные стоки.
Проанализируем характер и объемы этих поступлений на примере акваторий Арктического бассейна (районы высоких техногенных нагрузок и места размещения объектов Североморской и Северодвинской базы ВМФ), Невского - Ладожского водного бассейна (район мегаполиса и места размещения объектов Ленинградской военно-морской базы), Волжского бассейна (регион высоких техногенных нагрузок). Рассмотрим также характер загрязнений водных объектов, находящихся под особым контролем. В отношении этих объектов действуют повышенные требования по экологической безопасности, следовательно, именно эти водные объекты нуждаются в первоочередном внедрении средств оперативного экологического контроля. К таким объектам относятся бассейн озера Байкал - особо охраняемая территория, включенная ЮНЕСКО в Список участников мирового природного наследия, и черноморские акватории, где расположены пункты базирования ЧФ РФ на территории Украины. Последнее обусловлено необходимостью поддержания международного престижа Российской Федерации, а также предъявлением со стороны Украины Российской стороне значительных штрафов за загрязнение природной среды. В первом случае внедрение средств оперативного экологического контроля обеспечит основу организации государственного экологического мониторинга в соответствии с Федеральным Законом "Об охране озера Байкал", что позволит своевременно выявлять изменения в экосистеме и вовремя принимать управляющее решение по ее сохранению. Во втором случае организация оперативного экологического контроля обеспечит своевременное обнаружение загрязнений, возможность принятия мер по их ликвидации и предотвращению перехода экологического нарушения в чрезвычайную ситуацию. Это особенно актуально в связи с тем, что Постановлением Кабинета Министров Украины от 03.07.1995 г. № 484 "Об утверждении такс для исчисления размеров ущерба, нанесенного в результате загрязнения из судов, кораблей и других плавсредств территориальных и внутренних морских вод Украины" за загрязнение окружающей природной среды к виновным предъявляются следующие штрафные санкции: за 1 кг разлитой нефти - 329 долларов США, за 1 м3 сброшенных в акваторию сточных вод - 140 долларов США.
Акватории Арктического бассейна.
Загрязнение вод открытой части Баренцева моря происходит в результате водообмена с наиболее загрязненными губами и заливами, а также в результате сброса загрязненных и, в первую очередь, нефтесодержащих вод непосредственно в море. Определенную роль играет перенос загрязняющих веществ с морскими течениями из сопредельных морей [206-212]. Ежегодно в водоемы Арктического бассейна сбрасывается неочищенными более 50 млн. кубических метров сточных и фекальных вод. Низка обеспеченность региона очистными сооружениями. Не имеют очистных сооружений гг. Североморск, Полярный, Гаджиево, Западная Лица, Гранитный, Лиинахамари. Часть действующих очистных сооружений не обеспечивает эффективную очистку сточных вод, в частности, в п. Сафоново, г. Видяево [51, 62]. Всего в первой половине 1990-х годов в Баренцево море в среднем ежегодно поступало около 115 млн. м3 сточных вод, из них около 90% без очистки. Из указанного количества сбросов до 20 млн. м3 сточных вод поступило от предприятий и войсковых частей Минобороны и предприятий Россудостроения, в том числе 95% - без очистки.
Наиболее интенсивному загрязнению подвергается Кольский залив, куда сбрасываются без очистки хозяйственно-бытовые сточные воды гг. Мурманска, Полярного, Североморска, Колы и целого ряда поселков, расположенных по его берегам, промстоки рыбокомбината, судоремонтных и других заводов, расположенных в гг. Мурманске и Коле, а также судоремонтных заводов Северного флота.
За указанный период в воды Кольского залива ежегодно сбрасывалось 113,7 млн. м сточных вод (из них 99,8 млн. м без очистки), что составляет 99% от общего количества сточных вод, поступивших в Баренцево море.
В таблице 1 приведены данные по среднегодовым поступлениям загрязняющих веществ в Баренцево море.
В таблице 2 приведены данные по сбросу в Баренцево море ряда металлов и соединений серы в 1990 и 1991 годах.
От предприятий и войсковых частей Минобороны и предприятий Россудостроения в 1991 году в Баренцево море поступило 1242 т легко окисляемых ЗВ по БПК-5 или 7,6% от общих поступлений в море (16224 т), 6,19 т нефтепродуктов или 8,5% от общих поступлений (72,8 т), 5556 т сухого остатка - 21% (26222 т), 538 т взвешенных веществ — 3,8% (14213 т) и 0,49 т детергентов - 0,8% (62,1 т).
Концепция (методология) оперативного контроля экологического состояния водных объектов на основе судовых природоохранных комплексов (СПК)
Размещение и обслуживание оборудования и приборов, аналогичных вышеупомянутым, в условиях малотоннажных судов, которыми реально располагают природоохранные службы на местах, практически невозможны, т.к. площадь гидрохимической лаборатории на таких судах не может превышать 8 — 12 м2.
Таким образом, стоимость имеющихся НИС или аналогичных судов, стоимость их эксплуатации, обслуживания и приборного оснащения, сформированного по типу многопрофильных береговых аналитических лабораторий, количественный состав и уровень квалификации научного персонала делают такие суда практически неприемлемыми для использования государственными контрольно-инспекционными экологическими органами и подразделениями экологических служб ВМФ. Встает вопрос о необходимости создания малотоннажных патрульных судов на базе специализированных или переоборудованных носителей с аппаратурным оснащением, обеспечивающим возможность получения в автоматизированном режиме максимально полной информации об экологической обстановке в масштабе времени, близком к реальному, непосредственно на борту судна, и не требующим для эксплуатации и обслуживания многочисленного высококвалифицированного персонала. Создаваемый комплекс в первую очередь должен обеспечить проведение в режиме движения судна непрерывного in situ и на борту судна экспрессного анализа забортной воды с автоматизированным сбором и обработкой информации и представлением результатов. Для получения наиболее полной картины экологического состояния водного объекта желательно обеспечить получение информации для различных глубин. Важно подчеркнуть, что создание таких аппаратурных комплексов, осуществляющих измерения в режиме движения судна, позволяет практически полностью исключить загрязнения отбираемой пробы воды, вызванные работой собственного двигателя и собственными сбросами. Многими специалистами в области экологического контроля природных вод отмечается существенность этих факторов при пробоотборе с борта стоящего судна.
С точки зрения возможности автоматизации комплекса и обеспечения удобства его эксплуатации, для решения подобной задачи наиболее приемлемым вариантом конструкции средств измерения явились бы погружные датчики с прямым преобразованием сигнала об изменении контролируемого параметра в воде в регистрируемый электрический сигнал. Однако, в отличие от известных датчиков, используемых для вертикального зондирования в режиме позиционирования, например [108], эти датчики должны обеспечивать получение аналитической информации при погружении и буксировке в широком диапазоне скоростей и глубин в контролируемой водной среде. В настоящее время выбор таких датчиков достаточно ограничен и они, преимущественно, дают информацию только об интегральных показателях качества воды.
Обеспечить непрерывный контроль содержания основных ЗВ можно с использованием техники проточного анализа, разработав комплекс приборов непрерывного проточного анализа и систему пробоотбора, обеспечивающую непрерывную подачу проб воды на борт судна. Техническое оснащение аппаратурных комплексов, помимо уже отмеченных погружных датчиков и средств экспрессного химического анализа, должно включать средства наблюдения за водной поверхностью и дном акваторий, средства радиационного контроля и средства диагностики изменений физических свойств толщи воды, которые могут служить косвенным свидетельством ее загрязненности. К таким средствам относятся дистанционные обнаружители пленок нефти, телеуправляемые подводные осмотровые аппараты и аппаратура ультразвукового зондирования толщи воды.
Концепция контроля экологической обстановки в акваториях с помощью перечисленных средств не исключает необходимости проведения детального анализа проб, отобранных по показаниям средств экспрессного анализа, с помощью стандартной аналитической аппаратуры.
Таким образом, для решения рассматриваемой научно-технической проблемы - создания специальных комплексов оперативного экологического контроля поверхностных природных вод для обеспечения государственных природоохранных органов и экологических служб ВМФ, необходимо было решить ряд научно-технических задач, включающих выбор методов и технических средств для непрерывного и экспрессного определения показателей качества воды, обнаружения и оконтуривания мест загрязнений, контроля за состоянием водной поверхности, толщи воды и дна акваторий, осуществить макетирование таких технических средств и оценку их аналитических и технических возможностей в натурных условиях. Наконец, нужно было сформулировать задачи, решаемые комплексом с учетом его принципиально новых возможностей, разработать методы использования комплекса, включающие возможность маневрирования мобильного носителя, разработать принципы и алгоритмы функционирования комплекса при решении задач, постановка которых была невозможна в отсутствие многокомпонентных мобильных средств автоматизированного оперативного экологического контроля.
Выполненные автором на стадии подготовки данной работы проработки и их натурная апробация показали, что реализация нового подхода к решению проблемы контроля экологического состояния водных объектов, который в отличие от традиционных методов позволил бы производить комплексное автоматизированное оперативное измерение основных показателей состава и качества воды непосредственно на месте инспектирования по ходу движения носителя аппаратуры одновременно на разных глубинах, может быть осуществлена путем разработки и создания судовых природоохранных комплексов (СПК). Кроме указанных выше измерений СПК должен обеспечивать возможность наблюдения и диагностики изменений физических свойств поверхности и толщи воды, являющихся следствием загрязнений. Эти изменения включают появление на поверхности воды пятен нефти и нефтепродуктов, а в толще воды -взвешенных частиц, инородных включений и т.д. Необходимо обеспечить и количественную составляющую этих наблюдений, например, определение толщины пленки нефтепродуктов, геометрические размеры пятна и объем попавших в акваторию нефтепродуктов, а в толще воды определять размеры факела загрязнения и глубину его нахождения. В автоматическом режиме должна осуществляться обработка информации, ее сбор и хранение. В случае необходимости должна быть предусмотрена возможность отбора проб для дальнейшего анализа.
Решению этой проблемы в целом и перечисленных отдельных составляющих ее задач, кроме отмеченных выше в этом разделе работ автора, посвящен ряд других его работ, в числе которых работа [12], где наиболее полно изложены особенности и преимущества новой технологии оперативного экологического контроля.
Обобщенная схема обработки информации в СПК
Решение широкого круга задач, поставленных перед СПК (раздел 1.5), обеспечивается проведением одновременного непрерывного измерения в реальном масштабе времени в режиме движения судна-носителя большого числа физикохимических параметров водной среды. Огромный объем получаемой при этом информации (до 30-ти непрерывно получаемых характеристик на каждом из горизонтов измерения) вызвал необходимость разработки новых специальных методов и алгоритмов автоматической обработки и анализа этой информации, представления результатов измерений в удобном для восприятия оператором виде, архивирования результатов измерений и документирования итогов работ. Реализация этих методов и алгоритмов потребовала широкого использования современной вычислительной техники и разработки соответствующего программно-математического обеспечения.
Предложенная в ходе создания СПК организация обработки информации в комплексе базируется с одной стороны на достаточно традиционных методах и алгоритмах, относящихся к определению в дискретных пробах отдельных показателей состава и свойств воды, но трансформированных к автоматическому непрерывному по ходу движения судна режиму измерений. С другой стороны - потребовала разработки специальных методов, связанных с использованием качественно новых особенностей СПК таких, как многоканальность, мобильность, многогоризонтность (измерение одновременно на разных глубинах) и т.д. В первом случае речь идет, например, об определении концентрации ЗВ с использованием фотометрического или ионометрического детекторов, где методы и алгоритмы основываются на известных физических законах (в приведенном примере закон Бугера - Ламберта — Бера и уравнение Нернста [134]) или известных соотношениях при вычислении солености по измеренным значениям температуры и удельной электрической проводимости [135]. Во втором случае речь идет о разработке новых специальных методов и алгоритмов, использующих приведенные выше особенности СПК и обеспечивающих, в частности, непосредственно на борту судна автоматическое выделение аномальных участков, картирование результатов многокомпонентных измерений, оконтуривание и нанесение на карту зон с аномальными значениями параметров, формирование обобщенных характеристик качества вод в акватории, оценку объема сброшенных ЗВ, межканальную обработку, классификацию источника загрязнения по типу - мобильный или стационарный и т.д. [43, 99-101].
Организация обработки информации в СПК должна обеспечивать решение поставленных задачи в различных режимах работы - при патрулировании на разных скоростях хода, при работе в режиме позиционирования - в точке на якорной стоянке или в дрейфе, на переходах в район патрулирования и т.д. Такое разнообразие видов и режимов работы требует большой гибкости и оперативности в организации обработки информации в комплексе, что может быть достигнуто тем, что оператору предоставляется возможность подключения тех или иных измерительных каналов в зависимости от решаемой задачи и условий работы, и обеспечивается возможность широкого варьирования способов поканальной и межканальной обработки.
Укрупненная схема обработки информации в комплексе с учетом сформулированных требований приведена на рисунке 5X1 (см. Приложение).
Разработанные алгоритмы по своему функциональному назначению могут быть разбиты на следующие группы:
- алгоритмы определения ГФХП, измеряемых с помощью погружных датчиков;
- алгоритмы вычисления непосредственно не измеряемых показателей свойств воды;
- алгоритмы определения концентрации ЗВ с помощью проточных анализаторов;
- алгоритмы определения параметров радиационной обстановки;
- алгоритмы обработки информации канала ультразвукового зондирования толщи воды (УЗК);
- алгоритмы обработки информации оптического локатора поверхности воды;
- алгоритм определения местонахождения ТПА;
- алгоритмы автоматического выделения аномалий;
- алгоритмы визуализации, документирования и архивирования информации;
- алгоритмы анализа результатов измерений, базирующиеся на специфических характеристиках СПК (мобильность, многогоризонтность, многопараметрический характер информации и др.).
Входными данными для алгоритмов определения физикохимических параметров воды являются сигналы, пропорциональные напряжению с чувствительных элементов соответствующих погружных датчиков. Пересчет величин напряжений в размерные значения физикохимических показателей свойств воды производится по соответствующим алгоритмам с учетом констант, определенных при метрологической аттестации измерительных каналов. Таким образом определяются значения температуры, удельной электропроводимости воды, массовой концентрации растворенного в воде кислорода, водородного показателя, а также окислительно-восстановительного потенциала. Аналогичным образом функционируют алгоритмы определения удельной радиоактивности воды и мощности экспозиционной дозы гамма-излучения воздуха.
Наряду с перечисленными непосредственно измеряемыми параметрами водной среды в комплексе предусмотрена возможность определения расчетным путем непосредственно не измеряемых параметров воды. Такими параметрами являются соленость (степень минерализации) воды, которая определяется с помощью соответствующего алгоритма по результатам измерения температуры и удельной электропроводимости воды, и относительное содержание растворенного кислорода, вычисляемое по измеренной массовой концентрации растворенного кислорода, температуре и солености (степени минерализации) воды.
Алгоритмы обработки информации от проточных анализаторов обеспечивают проведение расчета концентрации загрязняющих веществ в потоке воды, поступающей на борт судна с помощью системы непрерывного пробоотбора.
Алгоритмы обработки информации УЗК обеспечивают автономную обработку, визуализацию и архивирование информации этого канала.
Алгоритм обработки информации оптического локатора водной поверхности обеспечивает автоматическое определение наличия на поверхности воды нефтяной пленки по уровню коэффициента отражения светового потока от водной поверхности.
Перечисленные алгоритмы позволяют определять физикохимические параметры водной среды в реальном масштабе времени. Общее число одновременно определяемых параметров в комплексе с учетом многогоризонтной структуры СПК может превышать несколько десятков. Это очень большой объем информации, который в непосредственном виде труден для восприятия оператором. В связи с этим в системе предусмотрен ряд алгоритмов, которые обеспечивают автоматический анализ текущих результатов измерений и их представление в виде, удобном для восприятия оператором. В числе этих алгоритмов в системе используются алгоритмы автоматического выделения аномальных зон и определения их параметров (длительности, максимального и среднего значения измеряемого показателя в аномалии и некоторых других). В системе используются различные типы таких алгоритмов - алгоритмы, выделяющие аномалии относительно заданных фиксированных порогов, и алгоритмы с адаптивными порогами, которые автоматически подстраиваются под усредненный фоновый уровень. Для повышения эффективности выделения аномальных участков используются алгоритмы межканальной обработки информации, обеспечивающие совместный анализ информации по совокупности выбранных оператором каналов.
Для оперативного расчета величин причиняемого ущерба в комплексе используется алгоритм определения объема нефти в покрытом нефтяной пленкой пятне, а также оценки массы сброса загрязняющего вещества по результатам измерения его концентрации.
Используемые в системе алгоритмы обеспечивают разнообразные методы визуализации информации, автоматическое наложение результатов на электронную карту. Автоматическая привязка всех результатов измерений ко времени и к географическим координатам места измерения обеспечивается с помощью информации спутниковой навигационной системы.
Интерфейс "Оператор-система" обеспечивает мультивариантное представление информации, что дает возможность оператору выбрать тот вид представления, который он сочтет удобным для анализа поступающей информации, при этом обеспечивается легкость и удобство перехода от одного вида представления к другому и возврат к исходному варианту.
В СПК предусмотрено ведение электронного вахтенного журнала, в который автоматически заносятся все выделенные аномальные участки с привязкой ко времени и к координатам места, с указанием основных статистических параметров этих аномалий. Оператор может внести в вахтенный журнал вручную дополнительные записи. Эти записи также автоматически привязываются ко времени и местоположению судна в момент записи. Все текущие результаты измерений автоматически записываются в электронный архив с привязкой к географическим координатам и времени и могут быть использованы в дальнейшем в береговых центрах для детальной обработки и анализа.
