CC BY
15
/10 Civil SecurityTechnology, Vol. 15, 2018, No. 3 (57) УДК 539.1.04, 504.61
Гибридный контроль загрязнений акваторий, обусловленных подводными потенциально опасными объектами
ISSN 1996-8493
© Технологии гражданской безопасности, 2018
А.И. Вялышев, А.Ю. Большагин
Аннотация
Рассмотрены вопросы организации контроля загрязнений водной среды при опасных и чрезвычайных ситуациях на подводных потенциально опасных объектах. Проанализированы способы контроля за такими объектами. Предложен новый подход к контролю состояния подводных потенциально опасных объектов, основанный на методе гибридного контроля.
Ключевые слова: гибридный мониторинг; гибридный контроль; подводный потенциально опасный объект; контроль состояний акваторий.
Hybrid Control of Water Area Contaminated with Groundwater Potentially Hazardous Objects
ISSN 1996-8493
© Civil Security Technology, 2018
A. Vyalyshev, А. Bolshagin
Abstract
The issues of water contamination control in dangerous and emergency situations on groundwater potentially hazardous objects are considered. The authors analyzed methods of control of these objects. A new approach to controlling the condition based on the hybrid control method was presented.
Key words: hybrid monitoring; hybrid control; groundwater potentially hazardous object; control of water area.
Статья поступила в редакцию 6.06.2018.
На МЧС России в рамках функциональной подсистемы РСЧС возложена функция по предупреждению чрезвычайных ситуаций на подводных и водных потенциально опасных объектах. В рамках этих задач основными источниками информации о состоянии таких объектов могут выступать либо их постоянный осмотр, либо дистанционный мониторинг и контроль их состояния и акватории вокруг таких объектов [3]. Контроль загрязнения акватории, где в качестве источника загрязнения выступает подводный потенциально опасный объект, необходим для раннего предупреждения о начале развития опасной экологической ситуации вплоть до чрезвычайной ситуации (далее — ЧС) и получения необходимой информации по ее ликвидации.
ЧС следует считать обстановку, при которой в результате появления опасных веществ в окружающей среде нарушаются нормальные условия жизни и деятельности людей, возникает угроза их жизни и здоровью, наносится ущерб имуществу населения и окружающей среде. При этом превышение предельно допустимой концентрации (ПДК) в окружающей среде означает опасную экологическую ситуацию, но еще не означает наличие ЧС. Для радионуклидов опасной ситуацией можно считать либо превышение ПДК в организме человека, либо контрольной концентрации радионуклидов в морской воде — концентрации, которая считается допустимой в отношении воздействия на человека. Для химических веществ опасной экологической ситуацией можно считать [5] превышение ПДК для данного химического элемента в морской воде.
Для поддержки принятия решений в случае возникновения ЧС, связанной с появлением опасных веществ в воде, основным методом контроля экологического состояния акватории следует считать сравнение динамики уровней опасных веществ в воде с их предельно допустимыми концентрациями и оценку этой динамики на основании критериев опасности [2, 4].
При этом в качестве критериев для изменения информации о состоянии объекта могут быть приняты следующие градации:
измеренный уровень загрязнения не превышает ПДК — ситуация не требует вмешательства;
измеренный уровень загрязнения находится между значениями ПДК и пятикратным значением ПДК — экологическая опасность;
измеренный уровень загрязнения превышает пятикратное значение ПДК — чрезвычайная ситуация.
Реализация такого подхода требует решения ряда вопросов, связанных с технологией контроля, измерениями уровней загрязнений, местами проведения и периодичностью измерений и соответствующей обработкой информации.
Оперативные технологии контроля загрязняющих веществ в воде основаны на следующих подходах [2, 4].
В контрольные точки водной среды устанавливаются специальные измерительные приборы, позволяющие оперативно измерять текущие уровни загрязнений в воде и передавать полученную информацию на береговые или судовые приемные комплексы. Такие
устройства отличает возможность передачи данных о загрязнениях с малой дискретностью в течение длительного времени, что позволяет оперативно контролировать динамику изменения уровней загрязнений и зафиксировать начало возникновения экологической опасности и возможной ЧС.
Эти подходы важны, например, при мониторинге состояния водной среды в случае возникновения аварийной экологической ситуации на воде. Они важны и при постоянном контроле состояния водной среды в районах реализации крупных инфраструктурных проектов, например, добычи, транспортировки и перегрузки нефти и нефтепродуктов, а также очистных сооружений, акваторий портов, при проведении технологических работ с подводными потенциально опасными объектами, когда возможны внешнее нарушение защитных оболочек объектов и залповый выброс опасного содержимого в воду. Такая ситуация требует постоянного оперативного контроля окружающей среды в течение всего времени проведения работ.
Оперативные технологии имеют свои преимущества и недостатки [1, 2, 3, 4].
К достоинствам следует отнести возможности:
одновременного получения информации из нескольких точек контроля с одновременной обработкой данных;
постоянного контроля уровней загрязнений.
К недостаткам следует отнести ограничения по измеряемым компонентам и диапазону измерений, а также необходимость обеспечения каналов связи и контроля энергопитания для автономных приборов.
В ряде случаев области контроля находятся вне мест расположения подводных потенциально опасных объектов.
При рассмотрении общей постановки задачи (рис. 1) можно выявить следующее.
Рис. 1. Зоны контроля уровней концентраций опасных веществ
В точке г области Б находится источник загрязнения. Таким источником может являться подводный потенциально опасный объект, у которого вследствие разрушения защитных оболочек опасные вещества попадают в окружающую среду. В области Б существуют защищаемые зоны, для которых необходим контроль предельно допустимых концентраций опасных веществ в воде. Это могут быть воды водных объектов хозяйственно-питьевого, культурно-бытового и сани-тарно-бытового водопользования прибрежные
/12 ^П SecurityTechnology, Vol. 15, 2018, No. 3 (57)
воды морей, используемые для рыбохозяйственных целей, воды рыбохозяйственных водоемов (8) и др. Необходимо определять уровни концентраций опасных веществ в этих зонах, измеряя уровни загрязнений в контрольных точках акватории.
Для решения поставленной задачи необходимо:
1. Определить функцию источника в точке го.
2. Определить функцию распространения загрязнений в области Б.
3. Определить уровни загрязнений в защищаемых зонах G и 8 и сравнить их с предельно допустимыми (или контрольными) концентрациями.
Для определения функции источника необходимы измерительные устройства, фиксирующие уровень загрязнения, скорость потока воды и его направление и передающие информацию в обрабатывающую подсистему. Передача информации может осуществляться либо по проводному, либо по гидроакустическому каналу связи.
Для эффективного контроля, согласно данным [2], измерительные устройства необходимо размещать вокруг источника загрязнения в достаточной близости от него. По данным измеренных направлений потоков определяется вектор направления потока у объекта. Условия растекания от источника можно оценить по градиенту уровней загрязнений на разных направлениях.
По уровню загрязнения, скорости потока и вектора его направления определяется функция источника для дальнейшего расчета распространения загрязнения по акватории.
Измерительные устройства необходимо [2] размещать по окружности с центром в геометрическом центре источника загрязнений. Диаметр окружности должен составлять величину, превышающую максимальный размер источника загрязнений.
При ограниченных возможностях установка измерительных устройств может быть произведена в два этапа. После определения функции источника и условий постоянности подводных течений можно оставить устройства только по направлению течений.
Функция распространения загрязнений определяется с использованием известных моделей для заданного водного объекта, при необходимости — пищевых цепей и др.
Из функции источника и функции распространения загрязнений определяются расчетные уровни загрязнений в защищаемых областях и сравниваются с предельно допустимыми концентрациями. Исходя из полученных значений, можно определить критерии контроля на измерительных устройствах, используемых для определения функции источника. Такой подход является наиболее полным, однако требует знания моделей распространения загрязнений в области Б, которые не всегда существуют. Использование расчетных уровней загрязнений целесообразно при оперативном долговременном контроле текущего состояния источников загрязнения, расположенных вдали от защищаемых зон водного объекта.
Таким образом, методология оперативного контроля уровней загрязнений в случаях известных моделей
распространения для удаленных зон контроля состоит в следующем:
1. Определяются места установки измерительных устройств у источника возможного загрязнения.
2. Программно сопрягается ввод данных по уровням загрязнений, направлениям и скоростям течений в местах установки измерительных устройств с входными параметрами программы для расчета распространения загрязнений в заданной акватории.
3. Выбираются места контроля загрязнений в защищаемой зоне и в программно-вычислительный комплекс вводятся критерии контроля (контрольные концентрации).
В отличие от известных методов такой подход позволяет вводить в расчетную модель распространения загрязнений текущие исходные значения загрязнений, что дает возможность получать оперативную информацию об общей картине изменения поля загрязнений.
В последнее время получили распространение методы гибридного мониторинга [1, 2, 7], позволяющие существенно повысить точность получаемых результатов.
Однако под термином «гибридный мониторинг» в ряде случаев понимаются различные методы.
Например, в концепции так называемого «гибридного» мониторинга радиационной обстановки в атмосфере [7] автоматизированные системы контроля радиационной обстановки рассматриваются как единый измерительно-расчетный комплекс, обеспечивающий непрерывный процесс адаптации рабочей модели распространения радионуклидов к конкретным условиям по результатам измерений на местности. Структура системы мониторинга направлена на решение следующих задач:
своевременное, уже на ранней фазе развития аварии, обнаружение атмосферного выброса (или жидкого сброса) радионуклидов;
экспресс-оценка активности источника или мощности дозы;
отслеживание радиационной обстановки целевым образом в зоне фактического радиоактивного загрязнения.
При автоматизированном непрерывном мониторинге микроклимата [1, 2] под «гибридной системой» понимается смешанная система, состоящая из набора датчиков, связанных проводной и беспроводной системами передачи информации.
При аэрокосмическом мониторинге загрязнений окружающей среды (дистанционном зондировании Земли) под «гибридными системами» понимаются лидары с комплексным применением методов активной и пассивной лазерной локации.
В рассматриваемом случае наиболее подходящим является подход, применяемый при контроле радиационного загрязнения атмосферы.
При этом в процессе работы обеспечивается сравнение рассчитанных уровней загрязнений в контрольных точках защищаемой зоны и непосредственно измеренных уровней в этих же точках. Далее производится адаптация модели к реальной обстановке путем коррекции входных параметров программы из имеющегося
набора, что позволяет получить максимально приближенные к реальной ситуации прогнозные значения загрязнения.
Для осуществления гибридного мониторинга достаточно дополнить представленную схему измерительными устройствами в защищаемой зоне. На рис. 2 представлена схема гибридного мониторинга.
источник ®
V__
1 '—I nporpartiMHO-ПВК вычислительный
Рис. 2. Схема гибридного мониторинга — измерительные системы в точках контроля
Н(г) — функция распространения. Остальные обозначения как на рис. 1.
Система содержит программные средства для последовательного прогона программы с разными наборами входных данных до достижения максимального совпадения расчетных и измеренных данных. Набор исходных данных, при котором достигается максимальное совпадение расчетных и экспериментальных результатов, используется для общей оценки прогноза распространения загрязнений. При необходимости после корректировки функции распространения
измерительные устройства в защищаемой зоне можно удалить.
При распространении защищаемой области на весь водный объект критерием контроля будет являться уровень предельно допустимой концентрации загрязняющего вещества, определенный измерительным устройством, т. к., как правило, этот уровень является максимальным у источника загрязнения. Такой подход следует применять при проведении технологических работ с источником загрязнения, когда в первую очередь возникает опасность для персонала, проводящего эти работы.
Техническая реализация изложенного выше подхода осуществляется с помощью современных методов и средств измерений загрязнений в воде.
Наиболее перспективными методами являются: для химического контроля — метод ион-селективных электродов и Рамановская спектрометрия;
для радиационного контроля — подводная гамма-спектрометрия, масс-спектрометрия и рентге-но-флюоресцентный анализ.
В качестве измерительных устройств могут быть использованы модернизированные донные станции оперативного контроля состояния подводных потенциально опасных объектов [6], разработанные в МЧС России.
Предложенный способ позволяет увеличить точность и скорость оценки уровней загрязнений в защищаемых областях и, как следствие, уточнить прогноз возникновения ЧС, связанных с подводными потенциально опасными объектами, уменьшить время реагирования на них, а также определить достаточность количества средств контроля, размещаемых на акватории для уменьшения общей стоимости системы.
Литература
1. VialyshevA. I., Stoyanov V. V., Paramonova O.A. The System For Monitoring Of Underwater Potentially Dangerous Objects And Integrated Information Control System With Using Of Autonomous Devices, Proc. The Fourteenth Annual Conference of The International Emergency Management Society ("TIEMS-2007"), Trogir, Croatia, 2007.
2. ВялышевА.И. Комплексная система экологического мониторинга при реализации инфраструктурных проектов на морских акваториях // Доклады сессии «Диагностика и прогноз чрезвычайных ситуаций» // Журнал Научного совета РАН по автоматизированным системам диагностики и испытаний. М., 2014.
3. ВялышевА.И. МЧС России и подводные потенциально опасные объекты // Технологии гражданской безопасности. 2017. Т. 14. № 1(51).
4. Большагин А. Ю., Вялышев А. И., Добров В. М., Долгов А. А., Зиновьев С. В., Олтян И. Ю., Горбацкий В. В. Комплексный мониторинг — неотъемлемая часть безопасности Арктической зоны Российской Федерации // Арктика: экология и экономика. 2014. № 1 (13). С. 38-47.
5. Большагин А. Ю., Вялышев А. И., Добров В. М., Долгов А. А., Зиновьев С. В., Котосонов А. С., Хоруженко А. Ф. Методика ранжирования арктических акваторий по степени радиационной опасности // Технологии гражданской безопасности. 2018. Т. 15. № 1 (55). С. 10-15.
6. Вялышев А. И., Колесов В. А., Стоянов В. В., Козловский А. В., Мишкина А. Б. Универсальный буй для мониторинга акваторий: Патент на изобретение № 130946, 2013.
7. Гибридный радиационный мониторинг Аварийное реагирование и радиационный мониторинг URL: http://www.ibrae.ac.ru/ contents/21/
Сведения об авторах
Вялышев Александр Иванович: д. физ.-мат. н., ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), г. н. с. науч.-исслед. центра. 121352, Москва, ул. Давыдковская, 7. е-таН: vialyshev@rambler.ru SPIN-код — 1070-5547.
Большагин Алексей Юрьевич: ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ),
н.с. науч.-исслед. центра.
121352, Москва, ул. Давыдковская, 7.
е-таН: alekseybolshagin@gmail.com
SPIN-код — 1440-5194.
Information about the authors
Vyalyshev Aleksandr I.: Doctor of Physical and Mathematical Sciences, All-Russian Research Institute for Civil Defense and Emergencies, Chief Researcher of the Research Center. 7 Davydkovskaya, Moscow, 121352, Russia. e-mail: vialyshev@rambler.ru SPIN-code — 1070-5547.
Bolshagin Alexey J.: All-Russian Research Institute for Civil Defense and Emergencies, Researcher of the Research Center. 7 Davydkovskaya, Moscow, 121352, Russia. e-mail: alekseybolshagin@gmail.com SPIN-code — 1440-5194.
