Автоматизированная система мониторинга загрязнения воздуха: 100% готовность

regnum_picture_1489213603855426_big-2
В Санкт-Петербурге разработана и эксплуатируется почти 10 лет в опытном режиме комплексная автоматизированная система мониторинга загрязнения атмосферы, которая соответствует всем международным и отечественным стандартам. Более того, она внедрена на общегосударственном уровне… в Казахстане

  

Согласно оценкам выполненных специалистами [2] для некоторых регионов России, экономический ущерб от воздействия загрязненного атмосферного воздуха на здоровье населения (смертность и заболеваемость) составил в 2002 году: в Екатеринбургской и Челябинской области 8% валового регионального продукта (ВРП), что выше темпов роста этого показателя; в Республике Башкортостан — 7% ВРП и 6% ВРП — в Нижегородской области. Экономический ущерб только от детской астмы, вызванной загрязнённым атмосферным воздухом, составляет в нашей стране 11−15 миллиардов рублей в год.

В целом для страны экономический ущерб в результате негативного воздействия загрязненной окружающей среды на здоровье населения находится в диапазоне 3,1−5,8% от ВВП, то есть превышает бюджет на здравоохранение и охрану окружающей среды.

Кроме того, до 95% суммарных издержек обусловлены смертностью, вызванной загрязнением атмосферного воздуха [2]. В США и странах ЕС для снижения экономического ущерба от загрязненного воздуха эффективно применяются системы управления качеством атмосферного воздуха.

Станции мониторинга загрязнения атмосферы являются важным звеном системы управления качеством воздуха, средством измерений, предоставляющим практическую информацию для принятия управленческих решений. Неудивительно, что от уровня оснащения станций мониторинга, их аппаратного и программного обеспечения зависит эффективность системы в целом. Спрос на современное аналитическое оборудование для экологического мониторинга в мире достаточно велик и продолжает нарастать, несмотря на наметившийся в последние годы промышленный экономический спад.

Смотри Также:  Baidu будет тестировать беспилотные автомобили в Калифорнии

Российский рынок аналитического оборудования и систем на их основе сегодня представлен несколькими приборостроительными компаниями и компаниями — интеграторами. Российское приборостроительное предприятие ОПТЭК является одним из крупнейших производителей отечественных средств измерений для задач атмосферного мониторинга, включая отдельные приборы и измерительные комплексы — станции мониторинга, системы на их основе.

В конце 90-х годов, в связи с началом создания национальной Российской системы управления качеством воздуха, на предприятии ОПТЭК была разработана концепция автоматических станций контроля качества атмосферы «Измерительных комплексов СКАТ», предусматривающая комплексное решение проблемы мониторинга, включая аппаратное и программное обеспечение, организационные мероприятия. В концепции решены вопросы метрологического обеспечения, сбора, обработки, сохранения и передачи данных в необходимом формате. Измерительный комплекс «СКАТ» предназначен для:

1. непрерывного автоматического измерения массовой концентрации:

— озона (О3),

— метастабильного формы (синглетного) кислорода,

— оксида углерода (СО),

— оксида азота (NO),

— диоксида азота (NO2),

— диоксида серы (SO2),

— сероводорода (H2S),

— аммиака (NH3),

— диоксида углерода (CO2),

— суммы углеводородов (CH) в пересчете на метан,

— метана (СН4),

— суммы углеводородов за вычетом метана (НСН),

— формальдегида (СН2О),

— аэрозольных частиц (пыли) в атмосферном воздухе;

2. сбора, регистрации, обработки, визуализации и хранения полученных данных;

3. передачи по запросу накопленной информации на внешний удаленный компьютер по проводным и беспроводным каналам связи (телефонные, GSM-каналы, LAN и Интернет).

Смотри Также:  Калужский Обнинск повысил свой атомный статус 

Основу измерительного комплекса составляют разработанные на предприятии автоматические приборы-газоанализаторы, сертифицированные в установленном порядке Государственным комитетом по техническому регулированию России, Госстандарта Республики Казахстан, Украины и Беларуси. Анализаторы подключены к системе пробоотбора на базе зондов, прошедших экологическую экспертизу в главном методическом Федеральном центре Росгидромета РФ — Главной Геофизической обсерватории им.А.И.Воейкова, и допущенных для применения во всех климатических поясах РФ и других стран Содружества.

Приборы атмосферного мониторинга — автоматические анализаторы с непрерывным режимом работы, позволяющие получать непрерывные, достоверные ряды значений контролируемых параметров, что является одним из основных критериев для систем мониторинга.

Большая часть газоанализаторов, используемых в составе СКАТ, построены на основе метода гетерогенной хемилюминесценции. Селективность, высокая чувствительность — характерные особенности этого уникального метода анализа. На предприятии удалось реализовать принцип гетерогенной хемилюминесценции в приборах-газоанализаторах, уже как на объектах промышленной эксплуатации, для задач атмосферного мониторинга. Хемилюминесцентные анализаторы — не единственная серия приборов атмосферного мониторинга, применяемая на станциях. Газоанализаторы с электрохимическим и оптическим принципом действия также входят в номенклатуру продукции в составе СКАТ. Соответствующие средства измерения предлагаются для контроля основных атмосферных загрязнителей — озона (гетерогенный хемилюминесцентный анализатор 3.02 П-А, оптический анализатор Ф-105); синглетного кислорода — (гетерогенный хемилюминесцентный анализатор мод. 102), оксидов азота (гетерогенный хемилюминесцентный анализатор Р-310А, гомогенный хемилюминесцентный анализатор Р-105); диоксида серы (гетерогенный хемилюминесцентный анализатор С-310А, флуоресцентный анализатор С-105); сероводорода (гетерогенный хемилюминесцентный анализатор СВ-320А); аммиака (гетерогенный хемилюминесцентный анализатор Н-320); оксида углерода (электрохимический анализатор К-100), формальдегида (фотометрический комплекс ФОРТ-301), двуокиси углерода (оптический NDIR (не дисперсионный инфракрасный метод определения) анализатор ОПТОГАЗ-500.4).

Смотри Также:  Ученые установили причину образования кратеров в Баренцевом море

Электрохимические и NDIR-оптические анализаторы разработаны на базе сенсоров (модулей-бенч) производителей OEM компонентов, (City Technology, Andros, Sensor Europe). Характерной особенностью приборов-анализаторов для атмосферного мониторинга является наличие встроенной памяти с генерацией отчетов в формате ТЗА-4, аналогового и цифрового (RS-232) выходов и выхода RS-485 с протоколом Modbus. Функции сбора, обработки и хранения информации на станциях СКАТ осуществляет программно-аппаратный комплекс ПАК-8816, разработанный специально для задач мониторинга на базе промышленных компьютерных платформ ADVANTECH ARK-1123 (мобильная версия) и ADVANTECH IPC-510MB. Специальное программное обеспечение установлено на операционную систему Windows Pro 10. Передача результатов измерения в центр приема информации может быть осуществлена любым из доступных способов: по телефонным линиям, через сотовую связь, сеть или по радио.

Современная базовая версия ПАК-8816 разработана в 2008 году и суммирует в себе опыт, накопленный в этой области за предыдущие годы. ПАК-8816 — национальная Российская разработка, пришедшая на смену менее надежному импортному аналогу, ранее применявшемуся в составе станций атмосферного мониторинга. Необходимость появления подобной системы была предопределена особенностями существующих национальных энергетических и информационных сетей, применяемых на территориях стран содружества Восточной Европы. К особенностям сетей можно отнести значительный диапазон изменения напряжений в сети переменного тока, плавающая частота переменного тока, возможные периоды прерывания подачи электроэнергии на объекты промышленного и социального назначения. Структура программно-аппаратного комплекса «СКАТ-РД» представлена на Рис.1. К преимуществам ПАК-8816 относятся его следующие особенности:



1 / 10



Автоматизированная система мониторинга загрязнения воздуха: 100% готовность

Рис. 1. Структура программно-аппаратного комплекса «СКАТ-РД»

Возможность гибкого использования различных сочетаний каналов связи между уровнями (проводные и беспроводные).

Поддержка одновременной работы большого количества пользователей.

Обработка и представление данных от нескольких автономных регистраторов данных (Data Loggers).

ПАК-8816 основан на промышленных стандартах: OPC, Modbus, RS-232, RS-485.

Система сбора данных масштабируется до 247 устройств, протяженность сети RS-485 достигает 1200 м, (с применением повторителей может быть еще увеличена).

Универсальность. Система сбора данных (в зависимости от используемых модулей) способна снимать показания с различных типов датчиков: аналоговые входы по току и напряжению, термопары, терморезисторы и прочее в любых комбинациях.

Пользовательский web-интерфейс позволяет просматривать данные, не прибегая к установке дополнительного ПО (программного обеспечения) на рабочем терминале.

Графическое представление данных (2-х и 3-х мерные графики, роза ветров, роза концентраций).

Формирование отчетов и их экспорт в формат Microsoft Excel, HTML, PNG.

Механизм оперативного оповещения оператора об аварийных ситуациях.

Возможность дистанционного выполнения градуировки измерительных каналов комплекса с целью идентификации данных по критерию достоверности.

Специальный блок в составе программного обеспечения позволяет строить розу концентраций в точке расположения станции атмосферного мониторинга. Копия экрана с розой концентраций показана на Рис.2.



9 / 10





Автоматизированная система мониторинга загрязнения воздуха: 100% готовность

Рис. 2. Web-интерфейс пользователя. Пример розы концентраций примесей атмосферного воздуха

Станция атмосферного мониторинга, как компонент системы, содержит метеокомплекс с датчиками давления и влажности воздуха, температуры, уровня осадков, направления и скорости ветра. Следует отметить, что для задач атмосферного мониторинга важнейшими каналами метеорологической информации являются направление и скорость ветра. Именно эти каналы позволяют в текущем режиме не только получать оперативную информацию на данный момент времени, но и смоделировать процессы адвекции примесей атмосферного воздуха в краткосрочном прогнозе, дать качественную перспективу возможных тенденций изменения климата.

Применение Сервера объединения и хранения данных со специализированным ПО позволяет построить, а в дальнейшем и масштабировать Систему станций атмосферного мониторинга воздуха.

Начиная с 2004 года, Российское предприятие ОПТЭК создает собственную Систему (сеть) автоматических станций атмосферного мониторинга с целью испытания новых средств измерения, отработки новых аналитических методов и технологий, а также для учебных и научно-исследовательских задач. В настоящее время на территории Восточной Европы находится в эксплуатации Система станций мониторинга загрязнения атмосферного воздуха, содержащей 7 постов на базе измерительных комплексов «СКАТ». Информация от средств измерений обрабатывается с помощью программно-аппаратного комплекса ПАК-8816.



10 / 10



Автоматизированная система мониторинга загрязнения воздуха: 100% готовность

Рис. 3. Расположение автоматических станций мониторинга атмосферного воздуха на территории России

Для лучшего понимания работы станции «СКАТ» предприятие ОПТЭК организовало и обеспечивает демонстрационный доступ к серверу существующей сети в Санкт-Петербурге. ПАК-8816 имеет простой и интуитивно-понятный интерфейс. По этой причине, работа с демонстрационной версией не требует специального обучения у удаленного пользователя. На практике увидеть работу станции «СКАТ» и ее программно-аппаратного комплекса может любой желающий, перейдя по ссылке.



2 / 10





Автоматизированная система мониторинга загрязнения воздуха: 100% готовность

Рис. 4. Расположение автоматических станций мониторинга атмосферного воздуха на территории С

Имея свой отдельный IP-адрес, станция или Система станций постоянно могут быть доступны через Интернет-соединение по установленному паролю потребителю в сети. Данные можно просмотреть в табличном или графическом виде, в формате ТЗА-4 (специальный формат, разработанный для задач атмосферного мониторинга представлен на Рис.5). Каждый факт превышения установленных граничных значений отражается в виде всплывающих сообщений и сохраняется в отдельном файле.



3 / 10





Автоматизированная система мониторинга загрязнения воздуха: 100% готовность

Рис. 5. Образцы отчетов, предоставляемые пользователю станции «СКАТ»

Измерительные комплексы «СКАТ» могут быть развернуты на базе различных объектов для размещения оборудования: стационарных павильонов, передвижных лабораторий, всепогодных шкафов, транспортируемых трейлеров, экологических катеров, оборудованных сплит-системами и источниками бесперебойного питания, стойками для размещения оборудования, рабочим местом оператора. Все перечисленные системы уже нашли свое практическое применение. В стационарных павильонах устанавливается также охранная и пожарная сигнализация, сигнализация отключения питания.

Система станция «СКАТ» подключается к серверному компьютеру, на котором установлено специальное программное обеспечении ПАК-8816. Диагностический доступ на серверный компьютер позволяет специалистам предприятия тестировать работу аналитического оборудования, осуществлять при необходимости переконфигурирование каналов измерений, производить обновление ПО на актуальные версии.

В рамках научно-технического сотрудничества между Институтом общей физики им.А.М.Прохорова РАН (РФ), предприятием ОПТЭК (РФ), комплекс с каналами измерения оксидов азота, окиси углерода и озона был установлен также в г. Вятские Поляны (Россия), в п. Громово на Карельском перешейке Ленинградской области (Россия) и на нескольких станциях с аналогичными каналами измерения на территории Санкт-Петербурга [1]. На Рис.3 показана электронная карта с расположением станций мониторинга, а на Рис.6 показана копия экрана в момент обращения оператора к станции мониторинга «Вятские Поляны» при наведении курсора и одного клика мыши.



4 / 10





Автоматизированная система мониторинга загрязнения воздуха: 100% готовность

Рис. 6. Копия экрана в момент обращения оператора к станции мониторинга «Вятские Поляны»

Возможности работы системы мониторинга загрязнения атмосферного воздуха могут быть проиллюстрированы на примере контроля за изменчивостью синглетного метастабильного кислорода в нижней атмосфере и его влияния на вероятные процессы разрушения озона. До последнего времени в научной литературе эффективность канала стока озона по гомогенной реакции

O3 + O2 (¹∆g)à 2O2 + O (3P)

оценивалась, как крайне незначительная. Это предопределяло известное значение константы скорости реакции к=4,4×10-15 см3/(молекула∙с) и концентрации O2(¹∆g) в тропосфере, не превышающее 107 молекул/см-3. В то же время, концентрация O2(¹∆g) в атмосфере на высотах порядка 50 км оценивается на уровне 4∙1010 молекул/см-3, [5]. Некоторое время назад [4], в лабораторных условиях было обнаружено, что метастабильный кислород в состоянии O2(¹∆g) мог быть образован в результате фотокаталитических реакций на поверхности снега и микрокристалликов льда. Данные полученные нами в натурном эксперименте показали, что концентрация метастабильного кислорода в нижней тропосфере в Санкт-Петербурге в зимний период может существенно превышать значение 107 молекул/см-3. Так, в период с 5 по 19 января 2016 года, когда наблюдался период смены антициклонального типа погоды на циклональный в атмосфере сформировалась температурная инверсия. Такие явления хорошо контролируются по аномальному накоплению в нижней тропосфере таких загрязнителей, как окислы азота и оксид углерода, смотри Рис.7.



5 / 10





Автоматизированная система мониторинга загрязнения воздуха: 100% готовность

Рис. 7. Накопление диоксида азота в период наблюдаемых инверсий температуры в атмосфере

В период с 12-го по 15-е января на поверхности снега при относительно высокой солнечной активности (антициклон) наблюдается концентрация синглетного кислорода на уровне 1011 молекул/см-3 (см. Рис.8).



6 / 10





Автоматизированная система мониторинга загрязнения воздуха: 100% готовность

Рис. 8. Образование метастабильных молекул кислорода (озона и синглетного кислорода) в период наблюдаемых инверсий температуры в атмосфере

Это значение, как минимум на 3…4 порядка превышает ранее известные концентрации синглетного кислорода в нижней тропосфере. Это позволяет предположить существенные сток концентрации озона в приземном слое по реакции

O3 + O2 (¹∆g)à 2O2 + O (3P)

Представляет интерес и возможность контроля за процессами формирования и разрушения озоновых «дыр», которые проявляют себя по изменению спектрального состава солнечного излучения падающего на поверхность земли. Уменьшение количества молекул озона в зоне формирующейся «озоновой дыры» сопровождается увеличением ультрафиолетовой (фотохимически активной) компоненты солнечного излучения. Это, вероятно, и обеспечивает фотокаталитический синтез синглетного кислорода на поверхности снега и ледяных кристаллов, (см. Рис.9).



7 / 10





Автоматизированная система мониторинга загрязнения воздуха: 100% готовность

Рис. 9. Наблюдение формирования «озоновой дыры» через отношение приземных концентраций синглетного кислорода и озона

На Рис.10 представлена эволюция формирования и разрушения «Озоновой дыры» в январе 2016 года над территорией России в период с 25.01.2016 по 01.02.2016 Данные получены с канадского сайта сайта.



8 / 10





Автоматизированная система мониторинга загрязнения воздуха: 100% готовность

Рис. 10. Эволюция формирования и разрушения «озоновой дыры» в январе 2016 года над территорией России

Таким образом, результаты натурного эксперимента демонстрируют, что:

1. Система мониторинга загрязнения атмосферного воздуха может выступать эффективным инструментом исследования процессов в атмосфере, процессов связанных с загрязнением атмосферного воздуха, контроля за возможным изменением климата.

2. Система способна осуществлять контроль за процессами в атмосферном воздухе и на региональном уровне. Так, в условиях температурной инверсии в нижней тропосфере (в январе 2016 года, в Санкт-Петербурге часто наблюдался антициклональный тип погоды, характерная ситуация образования приземного смога) на поверхности ледяных кристаллов и снега, обнаружено накопление концентрации синглетного кислорода на уровне 5…6 мкг/м3. Известно, что источником O2 (¹∆g) могут быть:

— фотолиз озона:

O3 + hv àO2 (¹∆g) + O (1 D)

— процессы переноса энергии от некоторых органических (и неорганических) молекул в триплетном состоянии:

A (S₀) + hv àA (S₁) àA (T₁), A (T₁) + ᵌO2 àA (S₀) + O2 (¹∆g),

в том числе, ПАВ адсорбированные на поверхности частиц полупроводников способны передавать энергию возбужденного состояния молекулам ᵌO2 с образованием O2 (¹∆g). Выявленное обстоятельство может существенно изменить наши представления о трансформации загрязняющих веществ в атмосфере.

3. В условиях значительной величины удельной поверхности льда в ПСО-полярных стратосферных облаках вероятно гетерогенное фотокаталитическое образование синглетного кислорода, потенциально способного выступать важным каналом разрушения озона в атмосфере. Данное предположение не противоречит известным циклам стока озона, поскольку вещества органического и неорганического происхождения будучи в состоянии фотохимического активированного адсорбционного комплекса на поверхности льда способны обеспечить каталитическую активацию химических реакций, которые не могут быть реализованы в газофазных условиях. Процесс вероятного разрушения озона в нижней тропосфере связанный с метастабильным состоянием молекулярного кислорода может быть соотнесен с реакцией:

O3 + O2 (¹∆g) à 2O2 + O (3P)

Литература

1. Звягинцев А.М., Котельников С.Н., Челибанов В.П. и др. Содержание озона над территорией Российской Федерации в 2012 г. // Метеорология и гидрология. 2013. № 2. С. 121−127.

2. Сидоренко В.Н. Моделирование и экономическая оценка ущерба здоровью населения регионов России от загрязнения атмосферного воздуха // Вестник Сам. ГУ — Естественнонаучная серия. 2006. №9(49) С. 270−276.

3. Сысоева Т.И., Петкун А.С., Кучин В.А., Челибанов В.П. Результаты десятилетних измерений ряда параметров атмосферы Антарктики на привязных аэростатах // Известия РАН, СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2016, Том 80, No 5, стр. 600−603.

5. Челибанов В.П. Природный источник образования активных форм кислорода // Сб. трудов VII Международной Конф., «Естественные и антропогенные аэрозоли», 28 сент. — 2 окт. 2010 г., стр. 584−593.

6. Исидоров В.А. Экологическая химия. Уч. Пособие — СПб.: Химиздат, 2001. — 304 с.