Загромождение внутреннего пространства жилых кварталов и дворовых территорий автотранспортными средствами (АТС), а также отсутствие необходимой сервисно-транспортной инфраструктуры может представлять серьезную экологическую опасность для населения городов. Поскольку объемы выбросов токсичных загрязняющих веществ (ЗВ) при холодном пуске и прогреве двигателя в несколько раз больше и токсичнее выбросов от полностью прогретых двигателей АТС, движущихся по автомобильным дорогам. Кроме этого замкнутость дворов и уплотненная застройка жилых кварталов значительно ухудшают рассеяние выбросов АТС. В таких условиях образуются «застойные зоны», где в безветренную погоду отсутствует ветровой перенос выбросов ЗВ [1, 2]. Загрязнение возникают по причине попадания в атмосферный воздух оксида углерода, оксида азота, диоксида углерода, дисперсных частиц и других ЗВ. Помимо них, в воздух попадают и другие токсичные образования: полициклические ароматические углеводороды, альдегиды, бензол, формальдегид и другие. Высокая интенсивность выбросов ЗВ наблюдается в зимнее время. При этом максимальные концентрации ЗВ образуется во дворах-колодцах.
Проведённые сотрудниками кафедры МСиС исследования [3, 4] позволили для типовой придомовой территории рассчитать суммарную массу выбросов ЗВ из отработавших газов (ОГ) двигателей АТС при пуске, прогреве двигателей и движении по придомовой территории. Так для пятнадцати единиц АТС 2-ого экологического класса и пятидесяти шести – 4-ого экологического класса за год на исследуемом участке выбросы СО составили 2,1 кг/год, CnHm – 5,5 кг/год, CO2 – 34,3 кг/год, NOx – 0,12 кг/год. Основная масса выбросов ЗВ, образованных при пуске и прогреве двигателей АТС рядом с жилым зданием накапливается со 2 по 6 этаж. Что несёт основную опасность для жителей многоэтажных домов. Поэтому совершенствование методов и средств контроля экологической безопасности АТС на придомовых урбанизированных территориях является актуальной задачей.
Существующие системы контроля выбросов ЗВ обеспечивают непрерывное измерение концентраций ЗВ в воздухе. Отбор проб атмосферного воздуха осуществляется на стационарных постах, укомплектованных необходимым оборудованием и автоматическими газоанализаторами (измерительными приборами для определения качественного и количественного состава смесей газов). Однако стационарность таких датчиков-анализаторов загазованности и их расположение (для города Оренбурга на окраине) делает невозможным обеспечение такого контроля на всех участках санитарно-защитной зоны жилых районов города и окружающей его территории. Таким образом, существует проблема оперативного получения достаточной информации об обстановке санитарно-защитной зоны жилых районов города и прилегающих к нему территорий, необходимых и достаточных для принятия соответствующих ситуации мер. Причём, перечень основных показателей, контролируемых на стационарных постах (диоксид азота, диоксид серы, оксид азота, оксид углерода, сероводород, сумма углеводородов) ограничен, и не учитывает токсичное влияние ЗВ высших классов опасности на здоровье населения городов.
Мониторинг состояния санитарно-защитной зоны жилых районов города Оренбурга осуществляется передвижным экологическим постом (ПЭП-1-1), оснащенным автоматическими газоанализаторами для измерений содержания ЗВ в воздухе. Посты экологические передвижные ПЭП-1-1 предназначены для измерений массовых концентраций и контроля содержания загрязняющих веществ СО, NO2, NО, SO2, H2S, пыли, предельных, непредельных и ароматических углеводородов в атмосферном воздухе. Однако пробы ПЭП-1-1 отбираются согласно графику на перекрёстках автомобильных дорог, причём место и время отбора каждый раз разное, что не позволяет сделать выводов об изменении степени загрязнения приземного слоя атмосферы в «часы пик» при массовом выезде, въезде на придомовые территории. Анализ данных единой системы экологического мониторинга Оренбургской области [5] показывает недостаточное число измерительных приборов, обеспечивающих контроль экологической безопасности города, причём часть газоаналитических установок находятся в поверке, что приводит к непостоянству при контроле ЗВ.
Возможное решение данной проблемы, способное реализовать эффективный и непрерывный контроль содержания ЗВ в воздухе над всей территорией объектов и прилегающих к ним территорий – совершенствование системы мониторинга на объектах с использованием беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). Аналогичные системы уже применяются промышленными предприятиями для контроля утечек ЗВ на производстве. Для экологического мониторинга могут использоваться БПЛА Орлан, Орион, БЛА-10, БЛА-20и др. При этом, летательный аппарат может быть оснащен системами обнаружения атмосферного загрязнения, например, OSDK, PSDK или детектором Sniffer4 V2.0 (рисунок 1), который определяет концентрации 9-ти ЗВ (PM, O3, NO2, CO, SO2, CH4, CO2, NH3) с дистанционным датчиком и встроенной FULL HD камерой с картой памяти. Пользователи могут гибко выбирать или изменять конфигурации своих датчиков в соответствии со сферой деятельности и бюджетом. Газоанализатор устанавливается на верхней части БПЛА для уменьшения турбулентности от пропеллеров. БПЛА осуществляют автоматизированный контроль ЗВ с простым экспортом полученных результатов для отчётности. Датчик обнаружения газа поддерживает разнообразный пакет программного обеспечения, который может легко подключаться к БПЛА различных модификаций в целях взаимозаменяемости. Программное обеспечение для мониторинга воздуха в режиме реального времени позволяет составлять карту распределения концентраций загрязнения воздуха с учетом географической долготы, широты и высоты. Отчеты поддерживают визуальный анализ, включая маркировку на карте точек мониторинга, изменения кривой концентрации, средние изменения тепловой карты и другие параметры, которые могут быть экспортированы в Excel. При этом, в процессе исследования БПЛА на экологической карте автоматически различными цветами отмечается качество воздуха (рисунки 2, 3).
|
|
|
|
Рисунок 1 – Общий вид БПЛА для экологического мониторинга с детектором Sniffer4 V2.0 |
Рисунок 2 – Интерфейс программы и пример передвижения БПЛА |
Рисунок 3 –Экологическая карта, полученная с помощью БПЛА
Процесс обнаружения ЗВ БПЛА должен осуществляться по следующему алгоритму: БПЛА летит в зону обнаружения; датчик мониторинга определяет качество воздуха/газа; данные передаются на пульт дистанционного управления (наземная станция), затем поступают в «облако» и отправляются в командный центр. Следует отметить, что все процессы выполняются в режиме реального времени и при выявлении несоответствий разрабатываются корректирующие организационно-технические мероприятия. Основными преимуществами беспилотного мониторинга качества воздуха являются:
1) повышение результативности и эффективность мониторинга воздуха;
2) быстрая локализация. Содержание ЗВ с географической привязкой и программное обеспечение для анализа помогают пользователям быстро определять источники загрязнения воздуха;
3) снижение риска. БПЛА может летать в опасные районы для сбора данных о качестве воздуха вместо персонала;
4) гибкость. Гибко выбирайте траекторию воздушного или наземного сканирования в соответствии с различными сценариями с коротким временем подготовки.
Таким образом, использование БПЛА в качестве современного метода для экологического мониторинга позволяет проводить необходимые наблюдения, в независимости от месторасположения объекта и оперативно получать детальную информацию.