Основні підходи щодо побудови системи моніторингу небезпечних природних явищ і техногенно-небезпечних об’єктів України

Размещено на http://www.allbest.ru/

Інститут телекомунікації і глобального інформаційного простору НАН України, Київ

Основні підходи щодо побудови системи моніторингу небезпечних природних явищ і техногенно-небезпечних об'єктів України

С.О. Довгий

О.М. Трофимчук

Л.Д. Греков

Наявність в Україні розвиненої промисловості, надвисока її концентрація в окремих регіонах; існування великих промислових комплексів, більшість з яких є потенційно небезпечними, концентрація на них обладнання великої і надвеликої потужності, рівень зношення основних фондів яких наближається до критичного; розвинута мережа усіх видів транспортних комунікацій, а також нафто-, газо- та продуктопроводів; велика кількість енергетичних, у тому числі атомних об'єктів; розгалужений комплекс житлово-комунальних об'єктів; значна військова інфраструктура з її великими обсягами накопичених на складах боєприпасів і озброєння; використання у виробництві значних кількостей потенційно небезпечних речовин - усі ці фактори збільшують вірогідність виникнення техногенних надзвичайних ситуацій (НС), які несуть загрозу як для самої людини, так і для економіки та природного середовища.

Це обумовлює необхідність розвитку механізму ефективної системи реагування і управління природно-техногенною безпекою, налагодження системи моніторингу потенційно-небезпечних об'єктів і територій України [1,2].

Серед існуючих сучасних методів моніторингу потенціально-небезпечних об'єктів (ПНО) різних класів найбільш перспективними є методи дистанційного зондування Землі (ДЗЗ) та географічних інформаційних систем (ГІС) [1]. Використання цих засобів забезпечує повний технологічний цикл від отримання необхідної інформації про стан об'єктів, здійснення їх моніторингу, проведення на цій платформі ГІС-аналізу, математичного та картографічного моделювання, статистичного аналізу тощо. Інформаційні технології ДЗЗ і ГІС дозволяють вести моніторинг у режимі реального часу, що дає можливість моделювати не тільки складні природні і техногенні процеси, а й оперативно контролювати ПНО.

Базуючись на вищевказаних принципових підходах розроблено ГІС оцінки впливу ПНО на стан навколишнього середовища [1].

Основні класи ПНО. При розробці ГІС ПНО були визначені об'єкти державного рівня небезпеки, які було розподілено на 17 класів: атомні електростанції, водосховища, нафтопроводи, нафтопродуктопроводи, газопроводи, аміакопроводи і хлоропроводи, підприємства по виробництву хлору, та ті, що використовують хлор, підприємства металургійної, хімічної, нафтопереробної промисловості, підприємства водопровідно-каналізаційного господарства, енергетики, гірничо-збагачувальної, вугільнодобувної промисловості, підприємства інших галузей промисловості, полігони твердих побутових відходів.

Для кожного з класів було сформовано типовий паспорт об'єкту. Згідно прийнятих паспортів об'єктів необхідна інформація запрошувалась в компетентних організаціях та відомствах (обласні управління Міністерства надзвичайних ситуацій (МНС) України, обласні управління екології і ресурсів, дані Держкомстату України, Держводгоспу України, дирекцій окремих ПНО). На перспективу передбачається можливість збору та накопичення інформації про потенційно небезпечні території (ПНОТ) (зсувонебезпечні, карстово небезпечні, пожежонебезпечні, сейсмонебезпечні території, території, які підтоплюються, тощо).

Всього в систему внесено інформацію про 300 ПНО національного рівня небезпеки за даними МНС України та Міністерства охорони навколишнього природного середовища (МОНПС), відповідно розроблених паспортів цих об'єктів. Проведено їх геопозиціювання на карту України масштабу 1:200 000. Для можливості отримання більш детальної інформації в систему внесено 39 фрагментів оброблених космознімків Landsat 7 та Aster територій, які прилягають до ПНО. Це дає можливість виконувати більш точні геореляційні запити, розрахунки можливого впливу на навколишнє середовище, використовуючи відповідні математичні моделі, планувати заходи по ліквідації наслідків можливих надзвичайних ситуацій, реабілітації територій.

Основні вимоги до ГІС ПНО. Основними функціями ГІС ПНО є:

Оцінка стану ПНО України.

Визначення можливих наслідків надзвичайних ситуацій (НС) на ПНО за допомогою моделювання.

Додатковими задачами, що реалізовано за допомогою ГІС визначено наступні:

Накопичення інформації щодо стану ПНО України через формування відповідних баз даних і ГІС-шарів.

Оцінка стану ПНО України засобами ГІС, включаючи можливості статистичного аналізу НС, що сталися на ПНО.

Прогноз можливих наслідків НС, що сталися на ПНО України із викидом речовин у повітря.

Підтримка планування заходів із реагування на можливі НС.

Попередня оцінка кількості населення, що може постраждати при НС із викидом небезпечних речовин у повітря.

Картографування ПНО та зон їх негативного впливу на довкілля внаслідок НС, пов'язаних із викидом небезпечних речовин у повітря.

Розробка стратегій планування територій та відновлення природних комплексів, що постраждали від впливу ПНО за актуалізованими космознімками.

Архітектура ГІС ПНО. Виходячи з вимог до функціональності ГІС ПНО в якості основних компонентів системи обрано ГІС на базі продукту ArcInfo 8.1, а також системи керування базами даних (СКДБ) Microsoft SQL Server.

Вибрана архітектура ГІС ПНО дозволяє інтегрувати просторові дані в мережеву СКБД. Для цього використовується продукт фірми ESRI - ArcSDE. ArcSDE не замінює функцій СКБД, а використовує її можливості для розміщення просторових компонент в базі даних, та використання їх в ГІС, таких як ArcInfo 9.0 та ArcView 9.0.

Таким чином, система має трьохрівневу клієнт-серверну архітектуру, яка полягає в тому, що клієнт локальної мережі здійснює доступ до СКБД через ArcSDE Application Server. Microsoft SQL Server обрано як систему керування базами даних. В якості клієнтського місця може бути використано ArcInfo 9.0 та ArcView 9.0.

Основним компонентом ГІС є реляційна географічна база даних, скорочено Geodatabase, яка міститься всередині СКБД.

Ієрархічна картографічна модель даних ГІС ПНО. Використання комбінованої інформації про території, яка включає векторну цифрову топографічну карту України (М 1:200 000), тематичні карти землекористування, лісокористування, різних видів забруднення, тощо (М 1:50 000, М 1:10 000), космічних знімків різної роздільної здатності (LandSat, Spot, Aster, IRS та ін.), даних наземних спостережень дозволило створити ієрархічну картографічну модель, яка дає можливість фільтрувати дані, отримувати різні властивості об'єктів при перегляді карти в різних масштабах.

При виборі відповідного рівня генералізації можемо отримувати більш детальну та узагальнену інформацію про стан об'єктів на території. При цьому фрагменти космічних знімків середньої та високої роздільної здатності покривають найбільш потенційно загрозливі, з точки зору можливого впливу на людину та навколишнє середовище, об'єкти території.

Моделюючі блоки ГІС ПНО. З точки зору можливості включення в якості моделюючих блоків в розроблену систему було проаналізовано 13 моделей, які розроблялись українськими і зарубіжними вченими.

На даному етапі реалізації системи було обрано та виконано програмну реалізацію трьох моделюючих блоків, які було інтегровано на платформу ГІС:

Модель НС на ПНО із викидом небезпечних речовин у повітря (в основу покладено затверджену МНС «Методику прогнозування наслідків впливу викиду небезпечних хімічних речовин при аваріях на промислових об'єктах і транспорті від 27.03.2001».

Модель розрахунку розповсюдження небезпечних речовин у воді після аварійного скиду (модель розроблена Харківським науково-дослідним інститутом по охороні вод і затверджена МОНПС).

Модель розрахунку економічних збитків внаслідок НС (в основу покладено «Тимчасову методику оцінки збитків від наслідків НС природного і техногенного характеру, затверджену постановою КМУ від 15.02.02, № 175».

В якості критеріїв вибору моделей були обрані наступні вимоги: затвердження методики відповідними органами; відповідність детальності розрахунків регіональному та територіальному рівням досліджень; можливість розробки необхідного програмного забезпечення; можливість інтеграції в ГІС.

Тест-моделювання аварії НС із скидом забруднюючих речовин у воду. Аварії із скидами небезпечних речовин у воду несуть небезпеку, у першу чергу пов'язану із піковим забрудненням водойм та різким підвищенням концентрацій отруйних речовин, що викликає загибель риби, неможливість водозабору для водопостачання населених пунктів, небезпеку отруєння та інфекційних захворювань населення. Також раптові скиди, як правило, супроводжуються затопленням територій, населених пунктів та сільгоспугідь, що призводить до втрат в основному економічних, і іноді і втрат здоров'я жителів. Виходячи з цього, основною метою даного тест-моделювання ми обрали визначення концентрацій речовин у контрольних точках одразу після скиду небезпечних речовин.

З метою визначення наслідків можливої аварії із скидом речовин у водний об'єкт було обрано найбільш показовий приклад - це імітація прориву хвостосховищ ДВХП „Полімінерал” (Львівська обл.) (рисунок 1) та ВО „Краситель” (Луганська обл.). Ці хвостосховища мають значний об'єм речовин, що накопичилися, а також гіпсографічний вихід до річки, що стане транспортним шляхом у випадку аварії.

Рисунок 1. Ситуаційна схема модельованої НС із проривом хвостосховищ Стебницького комбінату ДВХП „Полімінерал”

Мета тест-моделювання:

Відпрацювання механізму визначення впливу НС на довкілля (водний об'єкт) і можливі наслідки для населення,

Відпрацювання автоматизованої методики розрахунків наслідків НС, в тому числі економічні,

Визначення шляхів подальшого розвитку блоку моделювання в рамках створюваної ГІС з ПНО.

За основу моделі ( з відповідною адаптацією її до поставленої задачі ) взята методика розрахунку гранично допустимих скидів речовин у водні об'єкти із стічними водами, яка розроблена Харківським науково-дослідним інститутом по охороні вод і затверджена МОНПС до використання.

Модель аварійного скиду небезпечних речовин у водний об'єкт по суті є вирішенням в основному транспортної задачі з елементами задачі розрахунку розбавлення і розсіювання речовин у воді (задача розрахунку гранично допустимих концентрацій (ГДК) і для її реалізації було розроблено dll-файл, що інтегровано у ГІС ArcGIS 8.1.

Контрольними створами, для яких модель визначає концентрації речовин у воді було обрано місця сусідства населених пунктів із водними об'єктами, що транспортують скид.

У постановці задачі для хвостосховща ДВХП „Полімінерал” припущено, що скид йде по р. Слониця - р. Тисьмениця - р. Дністер на довжину до 100 км.

Вихідні концентрації солей - 300 г/л, витрати при скиді - 230 м3/сек, кількість скинутих речовин - 2,5 млн. м3.

На рисунку 2 представлено результат моделювання скиду на ВО “Краситель” (Луганська обл).

Рисунок 2. Результат моделювання скиду на ВО “Краситель” (Луганська обл.)

При тест-модедюванні використовувались два види вхідних даних: гідрологічні параметри річкової мережі, за якою будуть переноситися скиди (витрати води, характер русла, відстані до контрольних створів тощо, фонові концентрації), та параметри власне скиду (концентрації, об'єми, витрати). Для зручності інформацію щодо вхідних даних можна подати у наступному вигляді:

Рисунок 3. Інтерфейс завдання параметрів вхідних даних моделі розрахунку якості води у річці після аварії

Вихідні дані, що отримуються після моделювання (концентрації речовин у створах) розміщуються у масиві, фрагмент якого продемонстровано на рисунку 4.

Кожне число характеризує концентрацію одного інгредієнту. Дані після розрахунків представляються у вигляді таблиці.

За даними моделювання визначено, що час проходження хвилі аварійного скиду до р. Дністер складе 2 години, відстань по р. Дністер до с. Журавно буде пройдені за 10 годин. Концентрації у хвостосховищі (тобто концентрації в скиді) одразу після аварії складуть величину, представлену в таблиці 1.

Рисунок 4. Фрагменту масиву даних

Таблиця 1. Розраховані концентрації основних небезпечних речовин у річці поблизу хвостосховища у випадку аварії (1-й кілометр від точки скиду), мг/літр

Таблиця 2. Розраховані концентрації основних небезпечних речовин у річці на 94-му кілометрі від точки скиду (поблизу с. Журавне)

Результати тест-моделювання приводять до висновку: при скиді 2,4 млн. м. куб. речовин із хвостосховища ДВХП „Полімінерал” перевищення ГДК складатиме по одному із найагресивніших елементів - хлоридам - у 82 рази більше норми, сульфатам - 66 разів (таблиця 3), що викличе повну загибель риби і біоти річок, економічні втрати у мільйони гривень, загострення соціальної ситуації та відносин з Молдовою. Крім того, скид такого масштабу може вийти за межі заплави.

Дану роботу виконано на замовлення Ради національної безпеки і оборони України, при цьому були використані космічні знімки з архіву Українського центру менеджменту землі та ресурсів.

Зазначені підходи та технології також було використано при створені системи моніторингу лісових пожеж в зоні відчуження ЧАЕС [1], при дослідженні розповсюдження повені, визначення зон підтоплення в Закарпатті [1], аналізу динаміки вирубки та захворювання лісів в Карпатському регіоні та в Вінницькій області, спостереженні за утворенням зсувів в АР Крим, моніторингу якості поверхневих вод в басейні р. Дніпро [2].

Перелік посилань

небезпечний надзвичайний забруднюючий речовина

1. Греков Л.Д. Концептуальні підходи до проблем моніторингу навколишнього природного середовища та надзвичайних ситуацій природного і техногенного характеру. //Екологія і ресурси - 2003. - № 5 - с. 57-63.

2. Греков Л.Д., Курченко О. Підходи до побудови інформаційних моделей систем екологічного моніторингу.// Тези доповідей ІІІ-ї Міжнародної науково-практичної конференції “Проблеми розробки і впровадження сучасних інформаційних технологій моніторингу навколишнього середовища та управління екологічною і інформаційною безпекою в регіонах” - Київ-Харків-Крим - 2004. - с. 169-173.

3. Греков Л.Д., Зотова Л.В., Трофимчук О.М., Пархісенко Я.В. Геоінформаційна система оцінки впливу потенційно-небезпечних об'єктів на стан навколишнього природного середовища.// Збірник наукових статей. Екологія та здоров'я людини. Охорона повітряного та водного басейнів. Утилізація відходів. - Том 1 - Харків: - 2005. - с. 172-180.

4. Довгий С.О., Лялько В.І, Трофимчук О.М., Греков Л.Д., Сахацький О.І. Досвід і перспективи використання даних дистанційного зондування Землі для прогнозування пожежонебезпечності лісів (на прикладі Зони відчуження Чорнобильської АЕС) // Екологія і ресурси. - 2002. - № 3 - с. 85-94.

5. Греков Л.Д., Костюченко Ю.В., Лялько В.І. Можливість використання даних ДЗЗ для визначення зон підтоплення// Екологія і ресурси. - 2002. - № 3 - с. 121-134.

6. Трофимчук О.М., Греков Л.Д., Крот В.М., Верюжський Г.Ю. Інформаційно-аналітична система оцінки якості поверхневих вод.// Інформатизація аерокосмічного землезнавства. - К.: Наукова думка, 2001 - с. 470-493.

Размещено на Allbest.ru