Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса... 8
1.1. Цели и задачи мониторинга окружающей среды 8
1.2. Основные направления осуществления мониторинга окружающей среды 11
1.2.1. Мониторинг загрязнения почв 11
1.2.2. Мониторинг загрязнения поверхностных вод 13
1.2.3. Мониторинг радиоактивности 15
1.2.4. Геосистемный мониторинг 16
1.3. Мониторинг атмосферного воздуха 18
1.3.1. Концептуальные аспекты 19
1.3.2. Примеры практической реализации 20
1.3.3. Оборудование для проведения мониторинга 24
1.3.4. Лаборатории для проведения мониторинга 27
1.3.5. Анализаторы концентраций газов в атмосферном воздухе 33
1.3.6. Математическое обеспечение мониторинга 35
1.4. Постановка задач исследования 40
2. Разработка математического обеспечения мониторинга атмосферного воздуха 43
2.1. Системный анализ объекта для целей мониторинга 45
2.2. Математические модели мониторинга 53
2.2.1. Исходные предпосылки к созданию моделей 54
2.2.2. Модель расчета концентраций 56
2.2.3. Моделирование распространения загрязняющих веществ по территории 65
2.3. Технология использования моделей в процессе мониторинга 72
2.4. Выводы 93
3. Эксперментальные исследования по статистической проверке гипотез о моделях 96
3.1. Методика проведения исследований 96
3.2. Основные результаты подфакельно-лучевых замеров 98
3.3. Основные результаты подфакельно-радиальных замеров 113
3.4. Выводы 118
4. Практическая реализация результатов работы 120
4.1. Программное обеспечение мониторинга 120
4.1.1. Режим "Настройка" 121
4.1.2. Режим "Ввод данных" 126
4.1.3. Режим "Обработка" 127
4.2. Объекты мониторинга 135
4.3. Мониторинг атмосферного воздуха на компрессорных станциях 138
4.3.1. Петровский ЛПУ 138
4.3.2. АлтайскийЖ7У 141
4.4. Мониторинг атмосферного воздуха на Елшано-Курдюмской станции хранения и переработки газа 143
4.5. Выводы 147
Заключение 149
Литература 153
Приложения... 165
- Основные направления осуществления мониторинга окружающей среды
- Анализаторы концентраций газов в атмосферном воздухе
- Моделирование распространения загрязняющих веществ по территории
- Мониторинг атмосферного воздуха на компрессорных станциях
Введение к работе
Мониторинг окружающей среды представляет собой одно из наиболее перспективных и активно развивающихся направлений в области организации и осуществления охраны природы. Он включает в себя систему наблюдений и изучения различных природных объектов, и определяет необходимость обоснования соответствующих информационных систем для сбора и систематизации данных, которые помогли бы вместе с численными моделями ответить на вопрос об изменениях климата и среды обитания человека.
В первой половине 70-х годов в СССР были разработаны две альтернативные концепции мониторинга окружающей среды [60]. В соответствии с первым подходом, который получил название натуралистического или естественнонаучного, "мониторинг включает в себя наблюдение, оценку и прогнозирование состояния окружающей природной среды и не включает управление ее качеством и деятельностью человека". В соответствии со вторым подходом под мониторингом понималась "система наблюдений, контроля и управления состоянием окружающей среды, осуществляемая в различных масштабах".
О важности мониторинга говорят не только уже осуществленные проекты, например, "Программа сотрудничества по мониторингу и оценке переноса загрязнения вод на значительные расстояния в Европе" в 1979-1984 гг., "Мониторинг климата" в 1980-1984 гг., "Обзор методов климатического мониторинга" в 1981 г., "Глобальный мониторинг качества воды" в 1976-1992 гг. [30], но и суммы расходов на технические и программные средства для его проведения в различных странах [114].
Так, за последние пять лет во Франции на оснащение систем мониторинга качества окружающей среды истрачено более 10 млрд. франков. В городе Тулузе затраты на аппаратное обеспечение систем контроля вредных веществ в окружающей среде составляют примерно 600 млн. франков, из которых 317 млн. относятся к контролю качества воды, 217 млн. - к контролю качества воздуха и 48 млн. - к мониторингу шума. Отмечается, что для городов с численностью населения более 100 тысяч человек необходи-мо устанавливать станции мониторинга параметров атмосферного воздуха с непрерывным контролем концентрации S02, NOx, СО, 03, осуществлять периодический контроль 132 опасных соединений и веществ, сбрасываемых в воду, непрерывный контроль за выбросами НС1 и HF и учащенный контроль выбросов тяжелых металлов из дымовых труб промышленных предприятий.
Сегодня мониторинг называют отраслью производства, которая развивается в соответствии с экономическими и государственными факторами, основными из которых является цена, качество и уровень обслуживания [97]. Первые два фактора примерно одинаковы для различных организаций по мониторингу окружающей среды. Третий фактор зависит от типа и характера производства. При этом часто в зависимости от уровня точности и количества измеряемых параметров в системах мониторинга применяются старые, хорошо отработанные приборы и методики, что снижает стоимость создания и эксплуатации систем. Вместе с тем в настоящее время уже созданы приборы, которые автоматизируют (компьютеризируют) не только измерительные процедуры, но и подготовку проб для анализа. Однако количество этих приборов в ряде случаев, например, при мониторинге атмосферного воздуха, не является достаточным для того, чтобы информационная мощность собираемых в процессе мониторинга данных исключала необходимость их дополнительной обработки. В связи с этим разработка математического обеспечения мониторинга является актуальной задачей, имеющей важное научное и практическое значение.
Цель работы - создание технологии и математического обеспечения статистического мониторинга состояния атмосферного воздуха на станциях хранения и переработки газа с использованием вероятностного моделирования.
В процессе выполнения работы обоснована необходимость реализации системного подхода к анализу объектов, являющихся источниками выбросов вредных веществ в атмосферу, а также моделированию последствий их эмиссионной активности в окружающей среде, обосновано и разработано методическое, математическое и алгоритмическое обеспечение, с помощью которого выполнены теоретические и экспериментальные исследования по мониторингу атмосферного воздуха на станциях хранения и переработки газа, решены вопросы практической реализации полученных в ходе исследований результатов.
Научная новизна работы заключается в установлении взаимосвязи между физическими закономерностями и статистическими свойствами процесса образования полей концентраций загрязняющих веществ в пространстве приземной зоны и разработке технологии мониторинга этого процесса с использованием его информационных возможностей и вероятностного моделирования.
Практическая ценность работы состоит в созданий алгоритмического и программного обеспечения мониторинга по данным прямых инструментальных замеров концентраций загрязняющих веществ минимальным (в пределе - одним) количеством постов.
Реализация работы была осуществлена на объектах предприятия "Югтрансгаз" РАО "Газпром" г.Саратова: компрессорных станциях Алек-сандрово-Гайского и Петровского линейных производственных участков и Елшано-Курдюмской станции хранения и переработки газа, и позволила оценить реальный уровень воздействия объектов на окружающую среду, а также эффективность назначенных для них санитарно-защитных зон.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на: международном конгрессе "Машиностроительные техно-логии 97" (София, Болгария, 1997 г.), международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы анализа и обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем" (Пенза, 1997 г.), первой научно-технической конференции с международным участием "Экология человека и природы" (Иваново, 1997 г.), региональной научно-технической конференции "Состояние и проблемы развития эколого-экономической системы Саратовской области" (Саратов, 1997 г.), заседаниях научно-технического Совета предприятия "Югтрансгаз" РАО "Газпром" г. Саратова в 1997-1998 гг., научно-технических конференциях Саратовского государственного технического университета в 1997-99 гг.
В связи с этим основными результатами работы, выносимыми на ее защиту, являются:
1. Результаты системного анализа и моделирования процессов, связанных с распространением загрязняющих веществ в пространстве приземной зоны.
2. Математическое обеспечение и технология мониторинга атмосферного воздуха на станциях хранения и переработки газа.
3. Программное обеспечение мониторинга.
4. Результаты экспериментальных исследований и практической реализации мониторинга на объектах предприятия "Югтрансгаз" РАО "Газпром".
Основные направления осуществления мониторинга окружающей среды
Мониторинг состояния почв осуществляется в соответствии с ГОСТ 17.4.1037-75 (СТСЭВ 4469084) (Охрана природы. Почвы. Общие требования к методике определения загрязняющих веществ). При этом констатируется [32], что при регламентированных этим ГОСТом параметрах, реальная погрешность методики определения загрязняющих веществ в пробах почвы находится в интервале 30-60%.
При мониторинге почв в экосистемах встает проблема индикаторов. В качестве этих индикаторов в работе [52] предлагается использовать биоиндикаторы и привлекать материалы по почвенной фауне. В ходе мониторинга берут пробы земли по стандартной методике почвенных раскопок (50x50x30 см) в четырех участках вокруг источника загрязнения по направлениям преобладающих ветров. При первичном контроле необходимо выбрать фоновый (контрольный) участок, а затем следить за текущим состоянием загрязненности, определяя количество животных в почве, выбранных в качестве биоиндикаторов. Определено, что численность животных связана с кислотностью верхнего слоя. В этой же работе предлагаются группы организмов-индикаторов для определения импактной зоны.
Вокруг сильных загрязнителей окружающей среды, например, химических комбинатов, необходимо контролировать значительную площадь -не менее 42 квадратных километров [90]. Для них следует разрабатывать свою систему показателей для эколого-микробиологического мониторинга почв, которые позволят оценить и выявить антропогенную нагрузку на почвы.
В Воронеже мониторинг загрязнения почв осуществляется путем исследования 210 образцов из 105 точек (по два образца с точки на глубине 0-10 см и 10-20 см). Контролируются следующие показатели: емкость ка-тионного обмена, кислотность рН9 подвижные Р и К, обменный аммоний, гумус, нитраты N9 численность микроорганизмов, биологическая активность, нитрификационная способность, содержание нефтепродуктов, фенолов, тяжелых металлов [89].
Контроль состояния воды в природных водоемах может осуществляться непосредственно, методом "пассивного отбора проб", путем анализа проб методами электродиализа, электромиграции и гель-хроматографии [79] или косвенными способами. Например, в работе [75] предлагается определять степень загрязненности водоемов по результатам спектрометри-рования листьев прибрежной растительности. Утверждается, что оптические свойства прибрежной водной растительности зависят от химического состава грунтов и прежде всего от наличия в них тяжелых металлов. С той же целью текущего контроля наличия в водоеме тяжелых металлов в работе [96] предлагается использовать двустворчатого моллюска, который может быть с успехом применен при тестировании загрязненности окружающей среды серебром, кадмием, хромом, никелем, ванадием и, в меньшей степени, для контроля загрязненности медью и цинком по коэффициенту бионакопления.
Мониторинг степени загрязнения поверхности вод нефтепродуктами может осуществляться как дистанционным зондированием с вертолета с помощью двухспектральной сканирующей системы Daedalus АА2000 с пассивным сенсором, преобразующим дифференциальные энергии земли в почти фотографическое изображение (система работает в инфракрасной и ультрафиолетовой областях), так и флуоресцентной спектроскопией поверхностных образцов [106].
Авторами работы [111] предлагается осуществлять мониторинг с помощью средств лазерной флуоресцентной спектроскопии на основе анализа спектров флуоресценции нефти, морского и пресноводного фитопланктона, растительности. Разработана схема аппаратуры дистанционного зондирования, основанного на принципе лазерной флуоресценции, ко торую предполагается включать в состав бортовой аппаратуры, предназначенной для экологического мониторинга, в которую входит радиолокатор бокового обзора и лазерная система. Это позволяет после обнаружения нефтяного пятна на водной поверхности определять тип загрязнения с помощью лазерной аппаратуры.
При мониторинге процесса накопления радиоактивных элементов в воде рекомендуется следующая методика [72]. Контроль следует осуществлять вне зоны активного судоходства. Содержание цезия-137, калия, рубидия, калия-40, тория-232 исследуется в слоях донных отложений с ненарушенной структурой. Определение радионуклидов выполняется гамма-спектроскопическим методом с использованием многоканального анализатора ТА-1024 и блока детектирования гамма-излучения БДЕГ-2К.
Пример проведения гидрохимического мониторинга в лесном водосборе описан в работе [101]. В ходе проведения мониторинга выполнялись анализы атмосферных осадков, почв, грунтовых и поверхностных вод. Был составлен баланс для водосбора веществ, поступающих из атмосферы и выносимых с поверхностным стоком по гидроксонам, натрию, калию, кальцию, магнию, алюминию, марганцу, цинку, железу, аммонийному азоту, нитратному азоту, сере, сульфатам, хлориду, фтору, кремнию кремнезема.
При мониторинге качества сточных и природных вод предлагается определять 10-15 основных гидрохимических показателей и токсичность, как интегральную характеристику качества воды [43]. При этом возможно использование биотестов со светящимися бактериями, опыт проведения исследований с которыми показал, что высокая чувствительность и экспрессивность метода биотестирования позволяет использовать его для контроля токсичности природных вод и создать систему постоянного мониторинга за качеством воды.
Анализаторы концентраций газов в атмосферном воздухе
Отбор проб атмосферного воздуха осуществляется газоанализаторами, представленными на мировом рынке фирмами Figaro, Ricken Reiki (Япония), 1ST (США), MST, GFG, Endrich, Drager (Германия), НПО "Химавтоматика", "АНАЛИТПРИБОР" и т.д., и позволяющими непрерывно определять концентрации вредных примесей [65,73].
Обычно анализаторы представляют собой функционально законченные модули, способные работать как автономно, так и в составе системы. В последнем случае модули помещаются в ячейки металлической стойки, которая является базовой конструкцией поста мониторинга [47,53,66]. Количество модулей в стойке может изменяться в зависимости от числа измеряемых параметров. Корпуса модулей однотипны, что является дополнительным удобством при замене или монтаже. Причем удаление или добавление одного из модулей может производиться без отключения всей системы.
Все анализаторы имеют на передней панели цифровую индикацию, клавиатуру, гнездо для встраиваемого принтера. На задней стенке, как правило, располагаются стандартные разъемы для подключения интерфейсных кабелей и пневматических линий. Вычисления производятся встроенными микропроцессорами. Программирование режимов работы может осуществляться как с помощью встроенной клавиатуры, так и управляющими сигналами удаленной системы сбора и обработки информации, базирующейся на ZSM-совместимых компьютерах. Микропроцессор системы контролирует и управляет всеми внутренними настройками, непрерывно диагностирует и визуализирует статус состояния прибора, осуществляет вычисление концентраций примесей и автоматический пересчет результатов в различные единицы измерений. Про грамма калибровки "защита" помещена во встроенную память анализаторов и вызывается периодически. Приведем данные о газоанализаторах, наиболее часто используемых в составе постов мониторинга [47,53,66]. Анализаторы двуокиси серы {SO2) представляют собой универсальные спектрометры, принцип действия которых основан на определении флуоресценции при просвечивании воздуха ультрафиолетовым излучением. Величина флуоресцентного излучения прямо пропорциональна концентрации S02. Диапазон измерений - от 0 до 20ррт; погрешность - не более 0,001 ррт; порог чувствительности - до 7 ppb; диапазон рабочих температур - от 5 до 41 С. Анализаторы окислов азота {NO, N02, NOx) построены на эффекте хемилюминесценции с применением фотоумножителя, что позволяет непрерывно контролировать концентрации NO-N02-NOx в одной и той же пробе. Диапазон измерений - от 0,0005 до 20ррт; погрешность - не более 0,001 ррт; порог чувствительности - до 0,4 ppb; диапазон рабочих температур - от 5 до 41 С. Анализаторы озона {03) являются ультрафиолетовыми фотометрами, вычисляющими коэффициент пропускания светового потока через газ. Возможна установка генератора озона для периодического проведения автокалибровки прибора. Диапазон измерений - от 0 до 20 ррт; погрешность - не более 0,001 ррт; порог чувствительности - до 0,01 ppb; диапазон рабочих температур -от 5 до 40 С. Анализаторы оксида углерода {СО) представляют собой различные модификации инфракрасных фотометров. Концентрация СО определяется по количеству поглощенного излучения. Возможна коррекция давления и температуры. Выбор диапазона измерения осуществляется автоматически. Диапазон измерений - от 0 до 200ррт; погрешность - не более 0,01 ррт; порог чувствительности - до 0,1 ррт; диапазон рабочих температур -от 5 до 41 С. Анализаторы содержания общих углеводородов и метана построены на принципе ионизации в пламени, позволяющем непрерывно контролировать концентрацию газов в точке отбора проб. Эти приборы обладают высокой чувствительностью и стабильностью. Диапазон измерений - для метана от 0 до 10000 ррт; эквивалент по метану - от 0 до 1000ррт; погрешность - не более 0,001 ррт; порог чувствительности -до 0,05 ррт; диапазон рабочих температур - от 5 до 40 С. Анализаторы взвешенной пыли регистрируют ее вторичное радиоактивное излучение. Уровень излучения пропорционален массе пыли, находящейся в камере детектора прибора. Контроль и стабилизация температуры в камере осуществляются с помощью микропроцессора. Диапазон измерений - от 0 до 10000 мг/м3; чувствительность - 0,5 мг/м ; диапазон рабочих температур - от 5 до 40 С. В большинстве случаев анализаторы поставляются готовыми к применению в комплектации, зависящей от типа установки и конечного результата измерений.
Моделирование распространения загрязняющих веществ по территории
Модель (2.7) позволяет определять протяженность поля концентраций загрязняющих веществ. Для того чтобы определить основные закономерности распространения веществ в пределах сектора, на который они выпадают из облака выброса, воспользуемся положением о том, что если в процессе работы объекта его техническое состояние стабилизируется на некотором уровне, т.е. становится стационарным (и определяет постоянст-во мощности выброса Q в единицу времени), то дисперсия 7 л,- , являющаяся основным параметром модели, с помощью которой можно рассчитать траекторию распространения веществ в пределах сектора (т.е. в поперечном или латеральном направлении), также стабилизируется на некотором уровне (именно это обстоятельство и было положено в основу предпосылки 1, сформулированной в п.2.2.1). Объясняется данное положение тем, что факторы, оказывающие основное влияние на значение этой дисперсии (метеопараметры, стабильность атмосферы и др.), изменяются в интервале времени мониторинга в определенных пределах. Однако более важным является то обстоятельство, что изменение это происходит без ярко выраженной тенденции к монотонному возрастанию или убыванию, т.е. случайным образом.
С теоретической точки зрения отсутствие тенденции в случайном процессе означает сильную корреляцию между образующими его соседними членами. Если включение единицы (как предельно возможного значения) в р 100% доверительный интервал для величины коэффициента корреляции Rk взять в качестве критерия его равенства этому предельному значению, то можно показать [108], что R в этом случае должно находиться в интервале где TV- число наблюдений; Z(p+i)/2 - (р+1)/2 % точка кумулятивной вероятности стандартного нормального распределения. Тогда если значение 7 лежит в этом интервале, то можно говорить, что оно равно единице с (/-/?) 100% уровнем значимости. В этом случае траектория распространения веществ в рассматриваемом секторе становится чисто случайным процессом, который математически можно очень близко представить выражением: означающим, что расстояние Rn на которое вещества могут распространиться с облаком выброса остается неизменным при переходе от момента времени t-І к моменту t за исключением случайного независимого приращения глit, основным свойством которого является то [108], что оно представляет собой реализацию независимой нормально распределенной случайной величины, т.е.
Так как t только номинальный индекс, то Rnt_j = R .2 + гл t.j и если подставить это выражение в (2.27), можно получитьі?л? = R .j + rn t + i\t-]-Следуя этим путем, найдем, что разложение есть просто сумма независимых случайных величин. Другими словами, процесс распространения загрязняющих веществ в каждый момент времени образуется прибавлением к предыдущему положению случайного шага. Отличительной особенностью рассмотренного процесса является то, что точка, изображающая его на плоскости XOY, совершает случайное движение (или, следуя терминологии [108], движение "случайного поиска"), поступательная составляющая которого относительно среднего направления dxcp значительно превышает колебательную (рис.2.7,а). Практически такая ситуация может иметь место в случае, если в интервале времени мониторинга скорость перемещения облака в продольном направлении превышает скорость его размывания в поперечном. В противном случае (т.е. когда колебательная составляющая преобладает над поступательной) (рис.2.7,б) будет иметь место другое движение, которое хорошо описывается моделью следующего вида
Мониторинг атмосферного воздуха на компрессорных станциях
Петровский ЛПУ предназначен для выполнения работ по магистральной перекачке газа, поэтому контроль качества атмосферного воздуха осуществляется здесь, как правило, один раз в год в соответствии с планом-графиком проведения замеров в 5 контрольных и 5 подконтрольных точках санитарно-защитной зоны КС (приложение 4). В качестве примера в приложении 5 представлены данные замеров, выполненных в период с 22 по 30 мая 1997 г. с помощью одного поста, установленного на расстоянии 850 м под углом 340 градусов к станции, т.е. в северном секторе ее санитарно-защитной зоны (в окрестности 3 контрольной точки). На рис.4.19-4.20 представлены результаты обработки данных, иллюстрирующие характерные виды полей концентраций, образованных широким и узким секторами распространения облака выброса, соответственно. Очевидным является факт более интенсивного размывания облака в первом и более дальнего распространения его во втором случае, что еще раз убедительно свидетельствует в пользу достоверности выводов 2 главы как о случайности процессов образования полей концентраций, так и о возможности их математического описания авторегрессионными моделями (2.29) и (2.30).
При этом с экологической точки зрения более предпочтительным является первый вариант, поскольку уровень концентраций в каждой отдельно взятой точке поля здесь является меньшим, что хорошо видно на рис.4.19,б, где в образованном поле присутствует зона концентраций, превышающих 25% уровень ПДК. констатировать, что Петровский Л/7 У способен обеспечивать заданную производительность газоперекачки в рамках существующей системы мероприятий, направленных на обеспечение устойчивого функционирования ГМК, в том числе и с чисто экологических позиций.
Алгайская КС является одной из наиболее крупных и интенсивно работающих станций, поэтому качество атмосферного воздуха на прилегающей к ней территории является своеобразным показателем достижений предприятия "Югтрансгаз" в областях как технической, так и технологической культуры производства. Практическая реализация результатов работы была осуществлена по данным замеров, выполненных в этом ЛПУ в июле 1998 г. и представленных в приложении 2. Расчеты по залповым выбросам метана специалистами предприятия не проводились, поэтому были обработаны данные только по азотосодержащим компонентам, вначале зафиксированные пер вым, а затем вторым передвижным постом (см. табл.3.1, 3.2 п.3.2). Суммарный выброс от 7 работавшихв это время ГМК составил 36 г/с. Типичные примеры результатов обработки представлены на рис.4.21 и позволили установить, что: 1. Уровень концентрации по азотосодержащим компонентам практически во всех случаях не поднимался выше 25% от ПДК, т.е. существенного влияния на общую экологическую ситуацию в пределах прилегающей к станции территории не оказывал. 2. Количественно полученные результаты расходятся, в среднем, на 17,1Уо, но на качественном уровне порядковые значения концентраций, за гнозными значениями, полученными по данным замеров, сделанных в точке расположения другого поста. 3. Часовое усреднение данных мониторинга является наиболее пред почтительным, поскольку позволяет полнее учесть динамику процессов, протекающих в приземной зоне, и эффективнее устранить влияние случай ных выбросов концентраций как в меньшую, так и в большую стороны.
