CC BY
149
экология
УДК 502.3 : 004 л. 0. ШТРИПЛИНГ
В. В. БАЖЕНОВ Ю. В. КАЛИНИН О. В. НИЖЕВЯСОВ
Омский государственный технический университет
Омский государственный институт сервиса
ГЕОИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА МОНИТОРИНГА СОСТОЯНИЯ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА И КОНТРОЛЯ ЗА ВЫБРОСАМИ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ ПРЕДПРИЯТИЯМИ_
В статье рассматривается создание геоинформационной системы мониторинга состояния загрязнения воздуха в приземном слое атмосферы, требования к такой системе, ее преимущества по отношению к существующему на предприятиях положению. Ключевые слова: геоинформационная система, загрязнение атмосферы, мониторинг, контроль.
В настоящее время одной из главных задач на осуществляют единую организационно-техничес-производстве является минимизация негативного кую политику в области охраны окружающей среды, влияния на окружающую среду, с этой целью созда- контроль за соблюдением природоохранного законо-ются отделы охраны окружающей среды, которые дательства и созданием нормальных санитарно-
гигиенических условий труда для работников предприятия. Своевременно проводит нормирование, оформление проектов для получения разрешительной документации, разработку и контроль выполнения природоохранных мероприятий. Контролирует соблюдение установленных нормативов предельно допустимых выбросов загрязняющих веществ в атмосферу источниками предприятия.
В результате проведения природоохранных мероприятий предприятию удается снизить платежи за негативное воздействие на окружающую среду, что влечет за собой снижение издержек.
Существуют также специальные проектные организации, занимающиеся составлением различных проектов для предприятий-заказчиков.
Зачастую работа эта является весьма трудоемким процессом, требующим значительных временных затрат. В ходе работы могут возникать различные неудобства, как-то: плохая структурированность выполняемой работы, большой объем «бумажных» данных, нецентрализованное хранение информации, отсутствие наглядности данных, трудности пространственного восприятия источников загрязнения при работе (ошибка в координатах трудно заметна на бумаге), отсутствие возможности оперативно отслеживать экологическую ситуацию, параметры, ход выполняемых работ.
Для повышения эффективности трудового процесса необходимо внедрение на предприятии электронной информационной системы, позволяющей максимально решить все описанные выше проблемы. Она должна, по возможности, охватывать весь процесс мониторинга состояния атмосферы окружающей среды, оперативно отражать ход работ и наблюдаемую ситуацию, помогать сотрудникам в решении повседневных задач, обеспечить перенос основной трудоемкости работы с расчетных задач на аналитические задачи, обеспечивать однократность ввода информации в систему и многократность ее использования всеми заинтересованными пользователями и, таким образом, исключение дублированной работы персонала, улучшить наглядность представления информации путем отображения информации на карте, повысить достоверность предоставляемой информации.
При создании такой системы нужно максимально полно описать происходящие процессы, действующих лиц, их обязанности и информацию, которая циркулирует в ходе производимых операций. Эти данные необходимы для того, чтобы полученная система являлась не альтернативой текущему положению на предприятии, но качественно новым шагом в деятельности по мониторингу состояния атмосферного воздуха и контролю за выбросами, оценке их воздействия на атмосферу, совершенствуя при этом то, что уже есть. Эта система не должна предусматривать иных действующих лиц, кроме тех, что выполняют данные функции на настоящем этапе, должностные обязанности могут претерпевать частичные изменения, без увеличения трудоемкости их исполнения.
Но не достаточно просто иметь информацию, нужен инструмент, обеспечивающий ее полноценное использование. Таким универсальным инструментом являются геоинформационные системы (ГИС). Известно, что большой процент информации, с которой мы имеем дело, включает пространственную компоненту — будь то данные о населении, экономическом развитии, природных ресурсах, управлении городами и территориями, чрезвычайных ситуациях, типах лесов или почв, производственной деятель-
ности компаний или другая информация об объектах, явлениях и событиях [1].
ГИС позволяют получить наибольшую отдачу от информации: позволяют проводить сбор, хранение, анализ и картирование любых данных об объектах и явлениях на основе их пространственного положения [2]. Эти современные компьютерные технологии обеспечивают интеграцию баз данных и операций над ними, таких как их запрос и статистический анализ с мощными средствами представления данных, результатов запросов, выборок и аналитических расчетов в наглядной легко читаемой картографической форме.
ГИС-технология объединяет традиционные операции работы с базами данных, такими как запрос и статистический анализ, с преимуществами полноценной визуализации и географического (пространственного) анализа, которые предоставляет карта. Эти возможности отличают ГИС от других информационных систем и обеспечивают уникальные возможности для их применения при решении широкого спектра задач, связанных с анализом и прогнозом явлений и событий окружающего мира, с осмыслением и выделением главных факторов и причин, возможных последствий, с планированием стратегических решений и текущих последствий предпринимаемых действий [3].
В случае с контролем выбросов загрязняющих веществ источниками загрязнения предприятия в атмосферу данное решение является наиболее рациональным и удобным, ведь такая система предназначена для расчета и анализа концентраций загрязняющих веществ в атмосфере с учетом параметров источников выбросов и метеорологической обстановки, наглядного отображения результатов и составления форм отчетности, при этом не требующая от персонала ручного проведения расчетов, тем самым экономя временные ресурсы.
Чтобы получить информацию о пространственной изменчивости концентраций вредных веществ в воздухе и по экспериментальным данным составить карту загрязнения воздуха, необходимо систематически проводить отборы проб воздуха в узлах определенной для территории сетки с шагом не более 2 км. Такая задача практически невыполнима. Поэтому для построения полей концентрации должны использоваться методы математического моделирования процессов рассеяния примесей в атмосферном воздухе, реализуемые на ЭВМ. Математическое моделирование предполагает наличие достоверных данных о метеорологических особенностях и параметрах выбросов. Применимость моделей к реальным условиям проверяется по данным сетевых или специально организованных наблюдений. Расчетные концентрации должны совпадать с наблюдаемыми в точках отбора проб.
Моделью может служить любая алгоритмическая или аналоговая система, позволяющая имитировать процессы рассеяния примесей в атмосферном воздухе.
В нашей стране наибольшее распространение получила модель профессора М. Е. Берлянда [4]. В соответствии с этой моделью степень загрязнения атмосферного воздуха выбросами вредных веществ из непрерывно действующих источников определяется по наибольшему рассчитанному значению разовой приземной концентрации вредных веществ, которая устанавливается на некотором расстоянии от места выброса при неблагоприятных метеорологических условиях, когда скорость ветра достигает опасного значения и в приземном слое происходит
интенсивный турбулентный обмен. Модель позволяет рассчитывать поле разовых максимальных концентраций примеси на уровне земли при выбросе из одиночного источника и группы источников, при нагретых и холодных выбросах, а также дает возможность одновременно учесть действие разнородных источников и рассчитать суммарное загрязнение атмосферы от совокупности выбросов стационарных и передвижных источников.
Основой модели расчета приземных концентраций является «Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий» [5], позволяющая учитывать текущие метеорологические параметры, влияющие на рассеивание вредных веществ в атмосфере.
Компьютерная обработка предоставляет возможность визуально оценить результаты «расчетного» наблюдения за состоянием воздушного бассейна, организовать интеллектуальный интерфейс. При пользовании геоинформационной системой необходима конверсия традиционных топографических карт в цифровые, которые представляются в определенных электронных форматах. Интерфейс обеспечивает легкую интуитивную работу с базами данных, совмещенных с топографическими объектами. Визуализация данных о загрязнении позволяет осознать необходимость охраны окружающей среды и контроля за их состоянием.
Геоинформационная система должна предусматривать формирование различных выходных форм в формате Microsoft Excel и вывод графической информации на принтер с заданием соответствующих параметров печати.
Разработанная нами геоинформационная система «ЭкоГИС» призвана решить существующие проблемы, максимально соответствуя обозначенным в статье требованиям.
Данная геоинформационная система может использоваться в проектных экологических организациях, в отделах охраны окружающей среды, инжене-
рами-экологами на предприятиях для ведения учета источников загрязнения предприятия и выбросов загрязняющих веществ в атфосферу, составления форм отчетности (инвентаризация выбросов загрязняющих веществ в атмосферу, план-график контроля выбросов источников загрязнения), моделирования распределения концентрации загрязняющих веществ в приземном слое атмосферы.
«ЭкоГИС» позволяет инженеру-экологу наглядно представить размещение источников загрязнения атмосферы на территории предприятия, что приводит к повышению понимания устройства предприятия. Источники загрязнения возможно добавить как при режиме работы с картой, определяя его «географическое» размещение путем щелчка мышью в соответствующем месте карты, или же с указанием координат источника «вручную». Система работает с различными системами координат, пересчитывая их автоматически, что очень удобно, поскольку перевод координат из одной системы в другую для источников — весьма трудоемкий процесс. ГИС автоматически создает инвентаризацию выбросов загрязняющих веществ в атмосферу предприятием, а также план-график контроля за выбросами на источниках.
Система предусматривает участие в процессе работы группы лиц персонала организации: инженер-эколог, технолог, химик. Руководство предприятия всегда может получить представление о производимой подчиненным персоналом работе.
Геоинформационная система «ЭкоГИС» содержит в себе следующие электронные журналы:
— источников загрязнения и источников выделения;
— выбросов загрязняющих веществ в атмосферу;
— установленного очистного оборудования и проведенных мероприятий;
— произведенных измерений;
— контроля над выбросами загрязняющих веществ.
На основании этих электронных журналов создается инвентаризация выбросов загрязняющих веществ источниками загрязнения предприятия и план-
Рис. 1. Главное окно геоинформационной системы «ЭкоГИС»
205
Сис-мы коорданат 1Ш1
Действие Выход
i т 0 v
Наименование ХО |YO |Угол Тип >
Дополнительная_горсд 5800 16400 45 Левая
Городская 1250 1640 30 Левая
J
*
Добавить карту
I——j
Название карты'
Единица измерения: р Длина карты, ед. изм. к р
Разрядность: Длина подложки, р:-:' р Ширина карты, ед. изм. к| Ширина подложки, ркк р
КоэФ. рельефа местности (п)" I
Km Ф стратификации атмосферы (А)' р
s/ OK X Cancel I
Рис. 2. Окно выбора системы координат
Рис. 3. Окно ввода параметров карты
]& Справочник веществ i
Действие Выход
в ® 0 Код ЗВ: | искать ]
код 3EI наименование класс опасности ПДКмр ПДКес ОБУВ Козф оседания -
► 101 Алюминий оксид [в пересчете на алюминий) 2 0 0.01 0 1
102 Алкилсульфаг натрия 4 0.01 0 0 1
103 Альфа-З (действующее начало - кальций диялорацетат] 4 3 0.9 0 1
104 Барий карбонат (Барий углекислый) [в пересчете на барий] 1 0 0,004 0 1
106 Барий оксщ (в пересчете на барий] 0 0 0 0.004 1
10S ЕариИ сульфат [в пересчете на барий) 0 0 0 0,1 1
109 Бериллий и его соединения (в пересчете на бериллий] 0 0 0 1Е-5 1
110 дибанадий пентокекд [пыль) [Ванадия пятиокись) 1 0 0,002 0 1
111 Висмут оксид 9 0 0.05 0 1
112 диНатрий тетраоксовольфрамэт V (Вольфрамат натрия) [в пересчете на вольфрам) 9 0 0.1 0 1
113 Вольфрам триоксид (Ангидрид вольфрамовый) 9 0 0.15 0 1
114 Германий диокевд (в пересчете на германий) 9 0 0.04 0 1
115 Магний диборид 0 0 0 0.02 1
не Титан диборид 0 0 0 0.02 1
117 Титан хром диборид 0 0 0 0.02 1
118 Титан диоксид 0 0 0 0,5 1
119 Диэтилртугь [в пересчете на ртуть) 1 0 0.0009 0 1
120 Икдий (III) нитрат (.1 н.".1'Я нитрат] (в пересчете на индий) 2 0 0,005 0 1
121 Железо сульфат [в пересчете на железо) 9 0 0,007 0 1
122 Железо трихлорид (Железа хлорид) [в пересчете на железо) 2 0 0,004 0 1
129 Железо [II. Ill) оксиды (Железа оксид) [в пересчете на железо) 9 0 0.04 0 1
124 Кадмий нитрат [в пересчете на кадмий) 1 0 0.0009 0 1
125 диКалий карбонат [Калия карбонат. Поташ) 4 0,1 9.05 0 1
126 Калий хлорид 4 0,3 0.1 0 1
127 Кальций гипохлориг 0 0 0 0,1 1
129 Кальций оксид [Негашеная известь] 0 0 0 0,3 1
129 Кальций карбид 0 0 0 0,3 1
199 Кадмий дихлорид |Кадмия хлорвд] (в пересчете на кадмий) 1 0 0.0009 0 1
191 Кадмий йодид [в пересчете на кадмий) 1 0 0.0009 0 1
192 Кадмий сульфат (в пересчете на кадмий] 1 0 0.0009 0 1
199 Кадмий оксид [в пересчете на кадмий) 1 0 0.0009 0 1
194 Кобальт (Кобальт металлический) 2 0 0.0004 0 1
195 Кобальт сульфат (в пересчете на кобальт) 2 0.001 0.0004 0 1
U 1
Справочник веществ Всего веществ в справочнике: 2200 А
Рис. 4. Справочник загрязняющих веществ
график контроля. Предусмотрена передача документов в табличный процессор MS Office Excel.
В ходе производимых работ инженер-эколог может распределить источники загрязнения между технологами, которые проводят измерения параметров выброса на источниках, определяют количество загрязняющих веществ, отходящих от источников выделения, заносят эти данные в ГИС, которые позже используются при составлении инвентаризации.
В системе хранятся данные о проведенных замерах и условиях, при которых они проводились, что позволяет легко проследить во времени все измерения, которые проводят технологи.
Для каждого источника загрязнения указывается установленное газоочистное оборудование с очисткой по веществу, список проведенных мероприятий по снижению величины выброса загрязняющих веществ в атмосферу. В ГИС также хранятся данные о контроле на источниках загрязнения, на основе которых получают план-график контроля.
Система, автоматически рассчитывая необходимые параметры, позволяет формировать документацию для ведения своей хозяйственной деятельности, на основании имеющихся данных проведения измерений создает отчетные документы для внутренних и внешних контролирующих органов, предоставляет руководству необходимую информацию для принятия управленческих решений.
Система имеет модульную структуру — имеется возможность использования расчетных методик для определения величины выбросов, реализованных в виде динамических библиотек — DLL. Модульная структура позволяет «ЭкоГИС» находиться в постоянном эволюционном процессе, когда возможно без изменения существующей программы расширить ее возможности, добавив новый модуль, который автоматически определится системой.
«ЭкоГИС» является удобным инструментом для решения типичных задач по охране окружающей среды на предприятии, призвана облегчить работу
Загрязняющее вещество Количество загрязняющих веществ, огтвсодящих от источников, т/год Б там числе И
код наименование выброс, без очистки поступает на очистку в
1 2 3 4 5
р01 Азот 835.7039795 835.7839795 8 8
304 Азот 135.7740021 135.7748821 8 8
Ззо Сера диоксид 43.59600067 43 59688867 8 8
'337 Углерод оксид 234 432006В 234 4328868 8 8
415 Смесь углеводородов предельных С1-С5 2.206999958 2 286999958 8 8
703 Бенз/а/пирен 4.62Е-08 4 62Е-08 8 8
Рис. 5. Фрагмент отчета, создаваемого при помощи «ЭкоГИС» (Раздел IV инвентаризации выбросов загрязняющих веществ)
Рис. 6. Пример моделирования загрязнения атмосферы источниками предприятия
по учету и анализу ситуации на источниках загрязнения атмосферы предприятия. Возможность разноуровневой работы позволяет наиболее удачно интегрировать систему на предприятии, привлечь к работе тот же круг сотрудников, который участвовал в работе до автоматизации. Этому в немалой степени способствует дружелюбный, интуитивно понятный интерфейс программы, не перегруженный «лишней» информацией и элементами.
Система «ЭкоГИС» фактически не имеет открытых и свободных аналогов на территории РФ, либо это конкретные решения, учитывающие специфику предприятий и разрабатываемые под конкретное предприятие. Она является универсальным решением, интегрируемым как в проектные организации, так и в отделы охраны ОС на предприятиях, может использоваться даже одиночным инженером-экологом, работающим на договорной основе.
Главное окно геоинформационной системы «ЭкоГИС» представлено на рис. 1.
Главная окно геоинформационной системы «ЭкоГИС» представляет четыре основные области:
1. Карта с отображаемыми на ней источниками загрязнения.
2. Информационная форма с отображением текущих координат в разных системах.
3. Кнопочное меню для работы с картами.
4. Панель для работы с атрибутивной информацией.
Панель для работы с атрибутивной информацией содержит четыре вкладки для основных возможностей:
— вкладка «Модель» для отображения параметров моделирования распространения загрязняющих веществ в приземном слое атмосферы;
— вкладка «Параметры» для указания параметров отображения и карты;
— вкладка «ИЗА» для работы с основной атрибутивной информацией — источниками загрязнения атмосферы, источниками выделения загрязняющих веществ, выделяемыми веществами, газоочистным оборудованием, замерами, контролем выбросов загрязняющих веществ в атмосферу, проводимыми на источниках выброса мероприятиями; на вкладке
присутствует список источников загрязнения атмосферы в виде таблицы, доступ его параметрам, связанными с ним источниками загрязнения и другими данными производится через соответствующие кнопки на панели инструментов. Также на вкладке присутствуют кнопки для заполнения форм отчетности (инвентаризация выбросов загрязняющих веществ источниками предприятия).
«ЭкоГИС» имеет простой, не перегруженный, но достаточно функциональный пользовательский интерфейс, интуитивно понятный для пользователя. В системе предусмотрена работа с несколькими системами координат, которые также хранятся в базе, что позволяет ввести их единожды, позже лишь выбирая необходимую систему координат из списка (окно выбора системы координат представлено на рис. 2).
При начале работы с системой, можно открыть новую карту, либо выбрать из списка ранее используемые карты. Если же открывается новая карта, то оператор должен будет после выбора файла изображения внести параметры карты, одну систему координат и набор метеорологических условий (окно ввода параметров карты представлено на рис. 3).
Карта масштабируется путем регуляции бегунка, расположенного в левом верхнем углу области карты, меняется область отображения путем «перетаскивания карты», если выбрана соответствующая возможность.
Система имеет свой справочник веществ с возможностью редактирования, который представлен на рис. 4.
Геоинформационная система «ЭкоГИС» формирует выходную отчетность в формате MS Excel. Пример с фрагментом создаваемого отчета на примере четвертого раздела инвентаризации выбросов загрязняющих веществ можно наблюдать на рис. 5.
На рис. 6 приведен пример моделирования загрязнения атмосферы источниками предприятия, созданный в «ЭкоГИС». Источники загрязнения на нем обозначены синими точками. Поля установленных диапазонов концентраций загрязняющих веществ, как видно на рисунке, обозначаются разными цветами.
Резюмируя все вышесказанное, стоит отметить, что данная геоинформационная система разрабатывается с целью создания универсального средства по контролю и наблюдению за выбросами загрязняющих веществ в атмосферу источниками загрязнения предприятия, удобное в работе, несущее весь основной функционал, позволяющее снизить время и трудозатраты на выполнение деятельности отдела охраны окружающей среды, в области контроля за выбросами в атмосферу, позволяющее моделировать экологическую ситуацию (распределение концентрации загрязняющих веществ в приземном слое атмосферы) с последующим графическим ее пред-
ставлением, оперативно отображать рабочую информацию и помогать сотрудникам в заполнении форм отчетности.
«ЭкоГИС» не имеет распространенных аналогов, а те, что есть, являются конкретными производственными решениями, разрабатываемыми непосредственно для одного предприятия, и не имеющие распространения за его пределами, что подтверждает ценность создаваемого решения — его универсальность.
В настоящий момент система проходит пробное внедрение на ООО «Оргнефтехимзавод», организации, занимающейся разработкой экологической отчетности, проектов и документации для промышленных предприятий Омска и области.
Библиографический список
1. Бугаевский, Л. М. Геоинформационные системы / Л. М. Бу-гаевский, В. Я. Цветков. — М. : Златоуст, 2000. — 222 с.
2. Геоинформатика / А. Д. Иванников и [др.]. — М. : Изд. Макс Пресс, 2001. - 349 с.
3. Кузнецов, О. Л. Геоинформационные системы : учебник для вузов / О. Л. Кузнецов, А. А. Никитин, Е. Н. Черемисина. — М. : Гос. науч. центр Российской Федерации — ВНИИ геосистем, 2005. — 346 с.
4. Берлянд, М. Е. Прогноз и регулирование загрязнения атмосферы / М. Е. Берлянд ; ред. Л. И. Штанникова. — Л. : Гидрометео-издат, 1985. — 271 с.
5. Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вреднвгх веществ, содержащихся в выбросах предприятий. ОНД-86. Госкомгидромет СССР. — Л. : Гидрометеоиздат, 1987. — 68 с.
ШТРИПЛИНГ Лев Оттович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Промышленная экология и безопасность» Омского государственного технического университета (ОмГТУ), первый проректор Омского государственного института сервиса (ОГИС).
Адрес для переписки: e-mail: [email protected] БАЖЕНОВ Владислав Викторович, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры «Промышленная экология и безопасность» ОмГТУ. Адрес для переписки: e-mail: [email protected] КАЛИНИН Юрий Владимирович, студент гр. ИЗ-515 кафедры «Промышленная экология и безопасность» ОмГТУ.
Адрес для переписки: e-mail: [email protected]. ru НИЖЕВЯСОВ Олег Валентинович, ассистент кафедры «Прикладная информатика в математике» ОГИС. Адрес для переписки: e-mail: [email protected]
Статья поступила в редакцию 02.11.2009 г. © Л. О. Штриплинг, В. В. Баженов, Ю. В. Калинин, О. В. Нижевясов
Книжная полка
Аккерман, В. В. Промышленная экология [Текст] : учеб. пособие / В. В. Аккерман. - Омск : ОмГТУ, 2010. - 98 с. - ISBN 978-5-8149-0855-1.
Учебное пособие содержит основные сведения о технологических системах, классификацию элементов и связей технологических систем.
