СПОСОБ МОНИТОРИНГА ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА И СИСТЕМА ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2005 года по МПК G01V9/00 

Изобретение относится к области гидрометеорологии и может быть использовано для создания систем предупреждения населения о возможном повышении уровня загрязнения атмосферного воздуха в прибрежных районах морей, океанов и внутренних водоемов.

Известен измерительно-вычислительный комплекс контроля чистоты воздуха производственных помещений, содержащий комплект датчиков дисперсной фазы аэрозолей, соединенных с устройством вторичной обработки информации и программно-вычислительным комплексом, включающим базовое программное обеспечение (управление измерениями, метрологическая аттестация измерительных каналов, накопление информации, ее визуализация) и специальное программное обеспечение для решения задач измерения параметров дисперсной фазы, опубликованный на сайте: www2.aanet.ru/science/works/ml2htm.

Известный комплекс обеспечивает измерение физических характеристик дисперсной фазы аэрозолей и может быть использован для контроля аэрозольного загрязнения воздуха в производственных помещениях.

Известен способ мониторинга загрязнения атмосферного воздуха, изложенный в рекомендациях по организации и функционированию систем специальных наблюдений Росгидромета Р 52.24.581-97. (РЕКОМЕНДАЦИИ. Организация и функционирование системы специальных наблюдений за состоянием природной среды в районах развития угледобывающей промышленности и сопутствующих производств. Москва, Росгидромет, 1999, стр. 14-15).

Способ заключается в том, что при отборе проб атмосферного воздуха проводят метеорологические наблюдения за скоростью и направлением ветра, температурой воздуха, осадками и т.п.

Известный способ позволяет получать периодическую информацию о степени загрязнения атмосферного воздуха. Вместе с тем получаемая информация по известному способу мониторинга отражает фактическое состояние атмосферного воздуха и может быть использована лишь для констатации существующего положения.

Наиболее близким к предлагаемому решению является способ мониторинга атмосферы и контроля источников загрязнения и система для его реализации, опубликованная в Интернете. См. Лежнев А.С. Автоматизированная система мониторинга атмосферы и контроля источников загрязнения (АС-МАКИЗ), //www.intellect.csti.ru/objects.asp?num=83-005.

Известный способ мониторинга атмосферного воздуха заключается в оперативном (с шагом 20 минут) измерении параметров загрязнения воздуха, метеорологическом наблюдении за скоростью и направлением ветра, давлением, температурой и влажностью воздуха и оперативном (с шагом 20 минут) построении карт полей загрязнения воздуха на контролируемой территории.

Известная система включает в себя лабораторию мониторинга загрязнений атмосферного воздуха, соединенную со средствами оперативного дистанционного измерения параметров загрязнения на автоматических постах контроля и метеостанцией, содержащей средства измерения параметров воздушной среды (скорость и направление ветра, давление, температура и влажность воздуха) и средства отправки метеопараметров.

Известный способ и реализующая его система позволяют осуществлять постоянный контроль за чистотой воздуха в контролируемом районе и получать карты полей загрязнения воздуха. Вместе с тем известный способ и устройство не позволяют получать прогнозные данные о возможном загрязнении атмосферного воздуха аэрозолями водной поверхности, содержащими вредные для жизнедеятельности людей веществами.

Целью настоящего изобретения является получение информации о прогнозе возможного загрязнения атмосферного воздуха аэрозолями водной поверхности, содержащими вредные для жизнедеятельности людей вещества.

Поставленная цель обеспечивается следующими отличительными признаками в совокупности с известными из прототипа. В процессе мониторинга осуществляют наблюдение за сорбционными слоями (газообразные, жидкие и твердые пленки) на прилегающей к обслуживаемому району водной поверхности, температурой и соленостью водоема.

При выявлении на водной поверхности сорбционного слоя суммарной площадью более 100 м², удаленного от обслуживаемого района на расстоянии менее 50 км, производят расчеты потока аэрозольных частиц из сорбционных слоев и возможные сценарии их распространения в атмосфере в зависимости от фактических и прогнозных гидрометеорологических данных.

Предлагаемый способ мониторинга загрязнения атмосферного воздуха позволяет получить заблаговременную информацию о возможном загрязнении атмосферного воздуха аэрозолями водной поверхности, содержащими вредные для жизнедеятельности людей вещества, такие как тяжелые металлы, компоненты нефтепродуктов, биотоксины, пестициды, гербициды, синтетические поверхностно-активные вещества и др. (см. Сыроешкин А.В., Шокина О.Н., Исаков В.А., Матвеева И.С., Коршенко А.Н. Химическое загрязнение восточной части Финского залива и проблема токсичности морских аэрозолей//Труды ГОИН. 2002, вып. 208, с.260-276.) Что особенно важно для людей, страдающих респираторными и аллергическими заболеваниями, для которых попадание токсических веществ в носоглотку и легкие может вызвать обострение болезни и развитие осложнений.

Сорбционным слоям, толщина которых составляет несколько сотен микронов, посвящено значительное внимание в отечественной и зарубежной литературе. См., например, Гинзбург А.И., Федоров К.Н. Приповерхностный слой океана. Гидрометеоиздат, 1988.

Как показывают последние исследования (см. Лапшин В.Б., Яблоков М.Ю., Матвеева И.С., Игнатченко А.В., Полевщиков Д.М., Шокина О.И., Плетенев С.С., Сыроешкин А.В. Токсичны ли морские аэрозоли? Электронный журнал ″Исследовано в России″, 118, 1302-1316. http://zhumal.ape.relarn.ru/articles/2002/118.pdf), аэрозоли водной поверхности, образуемые из сорбционных слоев водоемов, содержащие вредные вещества. Концентрация вредных веществ (см. там же) в сорбционных слоях может превышать в сотни раз предельно допустимых значений. При срыве сорбционного слоя с поверхности водоема ветром со скоростью 5-7 м/сек образуются воздушно-капельные дисперсии, при испарении влаги из которых образуются аэрозоли водной поверхности, содержащие весь спектр вредных примесей, содержавшийся в сорбционном слое. Расчет процесса образования аэрозольных частиц из сорбционного слоя достаточно подробно описан в книге Хорна ″Морская химия″, М., Мир, 1987 г., алгоритм которого при получении информации о температуре и солености водоема, а также метеорологических данных о приводной атмосфере (температура, влажность и пр.) может быть использован для реализации предлагаемого способа. Процесс распространения аэрозольных частиц в атмосфере также достаточно хорошо изучен и освящен в литературе, и известные методики могут быть использованы для реализации предлагаемого способа. См., например, Ивлев Л.С. Химический состав и структура атмосферного аэрозоля. - Л., ЛГУ, 1982.

Как известно (РЕКОМЕНДАЦИИ. Организация и функционирование системы специальных наблюдений за состоянием природной среды в районах развития угледобывающей промышленности и сопутствующих производств. Москва, Росгидромет, 1999, стр. 10), интенсивное влияние аэрозолей, содержащих в своем составе тяжелые металлы, поверхностно-активные вещества, бензапирен, летучие углеводороды и пр. вещества, содержание которых характерно для аэрозолей водной поверхности, образуемых из сорбционных слоев, распространяются на площади 30-50 км. Поэтому наличие на водной поверхности сорбционных слоев, приближающихся к контролируемому району ближе 50 км, является серьезной угрозой загрязнения атмосферы вредными веществами. Степень загрязнения определяется, помимо прочих факторов, прежде всего размерами сорбционного слоя, и, как показывают предварительные расчеты, проведенные с участием авторов, сорбционные слои, размеры которых превышают площадь в 100 м², существенны и должны учитываться при расчете степени загрязнения воздуха. Наблюдение за сорбционным слоем, параметрами воды и метеорологическими параметрами атмосферы может быть реализовано известными методами, см., например, А.С.Васильев. Адаптивно-обучающаяся автоматизированная система прогнозирования состояния и фазовых изменений классов природных процессов (АОАСП). Часть 1. Санкт-Петербург, Гидрометеоиздат, стр. 8-9.

Для реализации предлагаемого способа известная система мониторинга загрязнения атмосферного воздуха, включающая центр мониторинга со средствами построения карт полей загрязнения атмосферы, соединенный своим входом и выходом с постами контроля чистоты атмосферного воздуха и средствами метеорологического обеспечения, снабжена программно-вычислительными средствами прогноза сценариев динамики вод и атмосферы, соединенными своим выходом со средствами построения карт полей загрязнения атмосферы, и комплексом дистанционного мониторинга водной поверхности со средствами распознания сорбционных слоев, соединенным своим входом и выходом с центром мониторинга, снабжена комплексом лабораторных исследований сорбционных слоев, соединенным своим входом и выходом с центром мониторинга.

Условная схема предлагаемой системы представлена на чертеже.

Система включает в себя центр мониторинга 1 с программно-вычислительными средствами прогноза сценариев динамики вод и загрязнений атмосферы 2, соединенными своим выходом с входом средств построения карт полей загрязнения атмосферы 3.

Центр мониторинга снабжен четырьмя входами и четырьмя выходами, с помощью которых соединен с выходами и входами постов контроля чистоты воздуха 4, с выходом и входом средств метеорологического обеспечения 5, с выходом и входом комплекса дистанционного мониторинга водной поверхности 6 со средствами распознания сорбционных слоев 7 и выходом и входом комплекса лабораторных исследований сорбционных слоев 8.

Программно-вычислительные средства прогноза сценариев динамики вод и загрязнений атмосферы 2 могут быть построены по известным принципам построения программно-вычислительных систем и включают в себя вычислительные средства и программное обеспечение (не показаны). В качестве вычислительных средств центра мониторинга могут быть использованы известные вычислительные машины, изготовленные с использованием процессора типа Pentium Y. Программное обеспечение включает в себя известное базовое программное обеспечение, обеспечивающее функционирование компьютера: типа Windows, Delfi, Photoshop, Internet Explorer, Microsoft Outlook и т.п., и специальное программное обеспечение прогноза сценариев динамики вод и загрязнений атмосферы. В качестве специального программного обеспечения могут быть использованы известные компьютерные модели, такие как, например, компьютерный атлас поверхностных течений, атмосферно-волновая модель и модель расчета распространения нефтепродуктов на акваториях морей при различных гидрометеорологических условиях, разработанные Государственным океанографическим институтом. См. Meteo expo 2003. Гидрометеорология - человеку. Третья международная специализированная выставка. Официальный каталог, стр. 28.

Программно-вычислительные средства прогноза сценариев динамики вод и загрязнений атмосферы 2 позволяют получать прогнозные данные об образовании на водной поверхности сорбционных слоев, перемещении их в пространстве, интенсивности генерации сорбционными слоями аэрозольных частиц и процессов переноса аэрозольных частиц в атмосферном пространстве. Полученные данные передаются на средства построения карт полей загрязнения атмосферы 3, на которых формируется прогнозная информация о возможном загрязнении контролируемого района аэрозольными частицами сорбционных слоев морской поверхности.

Учитывая, что специализированное программное обеспечение использует значительное количество данных, эмпирических соотношений и коэффициентов, значения которых определяются спецификой исследуемых районов, в предлагаемой системе предусмотрен комплекс дистанционного мониторинга водной поверхности 6. Данный комплекс может включать в себя средства космического наблюдения (не показаны), средства авиационной разведки (не показаны) и судовые средства локации водной поверхности (не показаны).

Для уточнения состава загрязняющих веществ в сорбционных слоях в системе предусмотрен комплекс лабораторных исследований сорбционных слоев 8.

Система работает следующим образом.

С помощью программно-вычислительных средств 2 производится расчет сценариев прогноза развития сорбционных слоев вблизи обслуживаемого района (в радиусе, не превышающем 50 км) и результаты расчета по своему выходу передаются на вход комплекса дистанционного мониторинга. Параллельно, например, с помощью средств космического наблюдения (не показаны), комплексом дистанционного мониторинга водной поверхности 6 осуществляют контроль за образованием и перемещением сорбционных слоев на водной поверхности. Информация с комплекса дистанционного мониторинга водной поверхности 6 по своему выходу передается на вход центра мониторинга 2, где она сравнивается с прогнозной информацией, полученной с помощью программно-вычислительных средств 2. Для уточнения данных дистанционного мониторинга и прогнозных данных программно-вычислительных средств в район предполагаемого образования и появления сорбционных слоев направляются средства авиационной разведки и морские суда со средствами локации водной поверхности, входящими вместе со средствами космического наблюдения в состав комплекса дистанционного мониторинга водной поверхности 6. При подтверждении информации о наличии на водной поверхности в районе, прилегающем к контролируемой области сорбционных слоев, и наличии данных, указывающих на возможное содержание в сорбционных слоях вредных для жизнедеятельности людей веществ, данная информация заносится априорно в программно-вычислительные средства. Для распознания сорбционных слоев в комплексе дистанционного мониторинга водной поверхности 6 предусмотрены средства распознания сорбционных слоев 7. Средства распознания сорбционных слоев 7 могут быть построены на известных технических решениях. См., например, Райзер В.Ю., Черный И.В. Микроволновая диагностика поверхностного слоя океана. СПб., Гидрометеоиздат, 1994.

Для увеличения вероятности дистанционного распознания сорбционных слоев в системе предусмотрена связь по входу и выходу комплекса дистанционного мониторинга 6 с центром мониторинга 2, что позволит использовать для распознания сорбционных слоев как прогнозную, так и фактическую информацию.

Для уточнения прогнозной информации и информации, получаемой от комплекса дистанционного мониторинга 6 о наличии сорбционных слоев, в системе предусмотрен комплекс лабораторных исследований сорбционных слоев 8. Комплекс лабораторных исследований сорбционных слоев 8 может быть построен с использованием известных технических решений по оборудованию исследовательских судов. См., например, Руководство по гидрометеорологическим работам в океанах и морях. Изд. 2-е, Л., Гидрометеоиздат, 1977. Особенностью данного комплекса является лишь метод отбора проб с водной поверхности, который может быть построен на основе сбора поверхностной пленки с помощью специальных устройств, использующих капиллярные пробоотборники, см., например, Лапшин В.Б., Зацепа С.Н., Симонов А.И., Орадовский С.Г. Устройство отбора проб воды из поверхностного микрослоя. Авторское свидетельство N3984953 от 22.10.87 г. Информации о возможном образовании сорбционных слоев (координаты и прогнозный состав биологических и химических веществ на водной поверхности) по выходу из центра мониторинга 1 передается на вход в комплекс лабораторных исследований сорбционных слоев 8. Комплекс лабораторных исследований сорбционных слоев 8 выходит в район предполагаемого нахождения сорбционных слоев. Осуществляет пробоотбор поверхностной пленки с водной поверхности. И по известным методикам, см., например, Лапшин В.Б., Украинский В.В. Измерение гидрохимического состава поверхностного микрослоя океана. Труды ГОИН, вып. 206, М., 1995, стр. 3-7, проводит анализ состава сорбционных слоев. Полученная информация (состав элементов, содержащихся в поверхностной пленке и их концентрация) через выход комплекса лабораторных исследований сорбционных слоев 8 передается на вход центра мониторинга 1.

Уточненная информация от комплекса лабораторных исследований сорбционных слоев 8 используется, при необходимости, для корректировки эмпирических коэффициентов и зависимостей, используемых в средствах распознания сорбционных слоев 7 комплекса дистанционного мониторинга водной поверхности 6 и в специализированном программном обеспечении расчета образования и распространения сорбционных слоев.

Для сорбционных слоев, содержащих вредные для жизнедеятельности людей вещества, с помощью специальных программ (ветроволновая модель, модель биоценоза, модель генерации аэрозольных частиц с водной поверхности, модель распространения аэрозолей в атмосфере, см. Meteo expo 2003. Гидрометеорология - человеку. Третья международная специализированная выставка. Официальный каталог, стр. 28.) и данных от средств метеорологического обеспечения 5 (температура воздуха, влажность, направление и скорость ветра, стратификация атмосферы, температура водной поверхности, соленость воды и т.п.) производят расчет интенсивности генерации с водной поверхности в районе сорбционных слоев аэрозольных частиц и сценарии распространения их в воздушном пространстве. Полученные данные о распространении аэрозольных частиц передаются на средства построения карт полей загрязнений атмосферы 3. При возникновении угрозы загрязнения обслуживаемой области выдается предупреждение компетентным органам. Данные, получаемые с постов контроля чистоты воздуха 4, сравниваются с прогнозными данными, получаемыми от программно-вычислительных средств 2, и, при необходимости, могут служить основой для корректировки эмпирических зависимостей и коэффициентов, используемых в специальном программном обеспечении. Кроме того, данные, получаемые с постов контроля чистоты воздуха 4, являются дополнительным резервным каналом, увеличивающим вероятность получения достоверной информации о чистоте воздуха в контролируемой области. Количество постов контроля 4 и плотность их распределения на контролируемой территории и частота отбора проб определяется степенью адаптации специализированного программного обеспечения к особенностям водоема и рельефа местности контролируемой области. На начальной стадии внедрения предлагаемой технологии можно пользоваться рекомендациями по организации постов контроля, изложенными в ″Рекомендациях организации и функционирования системы специальных наблюдений. Р52.24.581-97. Федеральная служба России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды. Москва, 1999, стр.15). По мере накопления опыта эксплуатации предлагаемой технологии и повышения степени отработки специализированного программного обеспечения, в зависимости от важности объектов на контролируемой территории и средств, выделяемых на выполнение задач мониторинга, количество постов контроля может быть уменьшено.

Наличие связи центра мониторинга 1 с постами контроля чистоты воздуха 4 по входу и выходу позволяет не только получать информацию с постов, но варьировать частотой отбора проб в зависимости от степени угрозы загрязнения воздуха.

Наличие связи центра мониторинга 1 со средствами метеорологического обеспечения 5 по входу и выходу позволяет запрашивать в оперативном режиме как фактическую, так и прогнозную информацию в объеме, достаточном для функционирования специализированного программного обеспечения.

Таким образом, предложенная система позволяет анализировать совокупность прогнозной и фактической информации, позволяющей адаптировать специализированное программное обеспечение к условиям контролируемого района как по местам образования и перемещения сорбционных слоев, так и по содержанию в них вредных для жизнедеятельности людей веществ. Прогнозировать возможность загрязнения контролируемой территории аэрозольными частицами, образуемыми с загрязненной водной поверхности, и контролировать чистоту воздуха по фактическому составу загрязняющих веществ в воздухе на контролируемой территории.

Исходя из вышеизложенного можно сделать вывод о том, что выявленные в сравнении с прототипом существенные признаки в совокупности с известными позволяют простыми средствами, не требующими больших экономических затрат, получить информацию о прогнозе возможного загрязнения атмосферного воздуха аэрозолями водной поверхности, содержащими вредные для жизнедеятельности людей вещества, и достичь цели предлагаемого изобретения.

Изобретение относится к области гидрометеорологии и может быть использовано для создания систем предупреждения населения о возможном повышении уровня загрязнения атмосферного воздуха в прибрежных районах морей, океанов и внутренних водоемов. Заявлен способ мониторинга загрязнения атмосферного воздуха, в процессе которого осуществляют наблюдение за сорбционными слоями на прилегающей к обслуживаемому району водной поверхности, температурой, соленостью водоема. Также заявлена система мониторинга загрязнения атмосферного воздуха, включающая центр мониторинга со средствами построения карт полей загрязнения атмосферы, соединенный своим входом и выходом с постами контроля чистоты атмосферного воздуха и средствами метеорологического обеспечения, программно-вычислительные средства прогноза сценариев, комплекс лабораторных исследований сорбционных слоев, комплекс дистанционного мониторинга водной поверхности со средствами распознания сорбционных слоев. Технический результат: повышение информативности системы мониторинга. 2 c.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ мониторинга загрязнения атмосферного воздуха, заключающийся в контроле параметров загрязнения атмосферы и метеорологическом наблюдении за параметрами атмосферы, отличающийся тем, что в процессе мониторинга осуществляют наблюдение за сорбционными слоями на прилегающей к исследуемому району водной поверхности, температурой и соленостью воды, осуществляют лабораторные исследования сорбционных слоев, при выявлении на водной поверхности сорбционного слоя суммарной площадью более 100 м², удаленного от исследуемого района на расстояние менее 50 км, проводят расчет интенсивности генерации потока аэрозольных частиц из сорбционных слоев и возможные сценарии их распространения в атмосфере в зависимости от фактических и прогнозных гидрометеорологических данных, передают полученные данные о распространении аэрозольных частиц на средства построения карт полей загрязнения атмосферы.2. Система мониторинга загрязнения атмосферного воздуха, включающая центр мониторинга со средствами построения карт полей загрязнения атмосферы, соединенный своим входом и выходом с постами контроля чистоты атмосферного воздуха и средствами метеорологического обеспечения, отличающаяся тем, что снабжена программно-вычислительными средствами прогноза сценариев динамики вод и атмосферы, соединенными своим выходом со средствами построения карт полей загрязнения атмосферы, комплексом дистанционного мониторинга водной поверхности со средствами распознания сорбционных слоев и комплексом лабораторных исследований сорбционных слоев, соединенных своим входом и выходом с центром мониторинга.