Главная » Публикации » Аэрогеофизические технологии на службе столицы

Аэрогеофизические технологии на службе столицы

Автор(ы): Контарович Р.С., Скловский С.А., Давыдов А.В.  

Кто из нас хотя бы однажды, провожая взглядом низко летящий вертолет, не задавался вопросом: «А чего это они тут над Москвой разлетались..? И, главное, за чей счет?» Судя по всему, такие мысли не раз посещали ответственных лиц правительства Москвы, установивших необычайно строгий порядок выполнения полетов над городом. В результате многие летать перестали. Хотя не все, конечно. «Аэрогеофизика», например, по прежнему регулярно выполняет полеты над городом, что уже говорит само за себя — значит полезное дело делают ребята, раз их пускают… Вот как раз о пользе для столицы аэросъемочных работ, причем не только в смысле не вредности, а о действительно высокой их экономической эффективности, наш рассказ.

Сегодня вряд ли можно всерьез говорить о контроле состояния окружающей среды и объектов городского хозяйства в таком мегаполисе, как Москва, без мониторинговых работ, под которыми понимается комплекс мероприятий по режимному обследованию, оценке и прогнозу состояния территории столицы. 
В настоящее время в мире развиваются в основном три типа систем экологического мониторинга:

  • на базе стационарных комплексных станций слежения (принята в настоящее время на Западе и является, с нашей точки зрения, особенно в условиях остаточного финансирования, крайне затратной, поскольку требует густой сети дорогостоящих датчиков, системы передачи информации и единого мощного обрабатывающего центра);
  • сетью комплексных передвижных наземных лабораторий (используется в России и странах СНГ и по сути позволяет осуществлять лишь выборочный контроль как по составу загрязнителей, так и по охватываемой территории);
  • дистанционный, выполняемый на основе комплексных аэросъемок (дает возможность за короткое время получать информацию для значительных территорий, однако не позволяет выявлять аварийные ситуации).

Если вы спросите любого специалиста эколога, как с его точки зрения наиболее корректно организовать систему экологического мониторинга воздушной среды такого города, как Москва, то услышите примерно следующие рассуждения: необходимо на один квадратный километр поставить по одной комплексной стационарной станции (где-нибудь на уровне 9-х этажей) с регистрацией 20 — 60 параметров, составляющих основу перечня главных загрязнителей, организовать сбор информации (например, по модему) на сеть из 10 — 15 компьютеров, организовать обработку данных. Именно так и можно отслеживать динамику проходящих в атмосфере такого крупного промышленного центра процессов, выяснять их взаимосвязь с метеорологическими параметрами, строить прогностические модели… Однако, следует принять во внимание, что город имеет площадь около 1200 км2, а стоимость одной такой станции составляет порядка 350-500 тыс. долларов. Перемножив одно на другое, мы увидим, что наиболее эффективная система мониторинга нам, в общем-то, не по карману. Такой путь — это экология богатых… Индустриально развитые страны, впрочем, идут именно этим путем. У них, правда, иные механизмы получения средств на финансирование экологии… 
Как ни странно, имеется другой путь получения комплексной информации с детальностью даже превосходящей описанный выше. В самом деле, если мы не имеем средств для развертывания 1200 станций, то, может быть, сумеем скомплектовать хотя бы одну, поставим ее на вертолет и по системе прямолинейных маршрутов закроем площадь города комплексной аэросъемкой! Тем более, что для такой съемки не существуют заборы, ведомственные запреты. Перефразируя известную песню, можно утверждать: Нам сверху видно все, ты так и знай… 
Таким образом, с учетом конкретных экономических условий наиболее эффективной представляется комбинация первой и третьей форм экологического мониторинга, когда непрерывные налюдения системой стационарных станций, размещенных по достаточно редкой сети, сопровождаются регулярными (лучше всего — сезонными) комплексными дистанционными съемками. Аэросъемки не имеют альтернативы по производительности и минимизации затрат на единицу площади при широком спектре регистрируемых параметров. Мониторинговые работы в данном случае подразумевают, как правило, регулярные сезонные площадные аэросъемки масштабов 1:10000 ѕ 1:25000. 
ГНПП «Аэрогеофизика» разработан и эксплуатируется в производственных масштабах комплекс дистанционного экологического мониторинга на основе

  • тепловой инфракрасной (ИК) аэросъемки, позволяющей получать и анализировать тепловое изображение местности с пространственным разрешением 0,25 м;
  • аэрогамма-спектрометрии (АГС) с картированием распределения естественных (K, U, Th) и искусственных (Cs137 ) радионуклидов, мощности дозы гамма-излучения, а также по оригинальной технологии — локальной составляющей радона (Rn222).;
  • газовой аэросъемки с определением содержания в воздухе на трассе ниже линии полета NO2, SO2, и СH4 ;

аэрозольной аэросъемки с определением концентрации в атмосферном аэрозоле до 60 химических элементов-загрязнителей.

Каждый из видов исследований может выполняться отдельно, но будучи собраными в едином комплексе они являются мощным инструментальным средством анализа уровней радиационного за-грязнения территории, контроля газового и аэрозольного загрязнений воздушной среды, теплового загрязнения и т.д. Вся виды аэросъемок лицензированы Минприродных ресурсов и Роскартографией. Методика АГС съемки сертифицирована МАГАТЭ. 
Работы выполняются с использованием вертолета МИ-8МТВ-1, специально переоборудован-ного на авиапредприятии для установки аппаратуры. Проложение маршрутов и плановая привязка результатов выполняются с помощью системы космической навигации GPS-GLONASS. 
Созданное в 1984г. по решению исполкома Моссовета как специализированное предприятие для выполнения аэросъемок в интересах окружающей среды г. Москвы, ГНПП «Аэрогеофизика» уже более 13 лет на основе бюджетного финансирования, а также договоров с различными организация-ми и муниципальными службами решает широкий спектр задач:

  • определение местоположения и оценку состояния подземных тепловых сетей включая обнаружение мест утечек;
  • обнаружение очагов подземного самовозгорания на торфяниках и полигонах по захоронению бытовых и промышленных отходов;
  • выявление участков загрязнения и источников несанкционированных сбросов в городские водоемы;
  • определение состояния полей фильтрации и аэрации;
  • выявление участков радиационного загрязнения в пределах территории г. Москвы и всего Московского региона;
  • дистанционный экологический мониторинг приземной атмосферы;
  • геоэкологическую оценку участков будущей застройки.

Основу мониторинговых работ составляет тепловая ИК аэросъемка, выполняемая два раза в год (осенью и весной, т.е. в начале и в конце отопительного сезона). Традиционными заказчиками этих работ в Москве являютсяУправление топливно-энергетического хозяйства Правительства Моск-вы, МГП «Мостеплоэнерго», «Тепловые сети» АО «Морсэнерго», МП «Теплоремонтналадка», Москомприрода. 
Следует отметить, что ИК аэросъемка — единственный дистанционный метод, позволяющий оперативно решать задачи контроля состояния тепловых сетей, а также уточнять либо же составлять схемы расположения теплосетей. За один цикл работ картируется от 70 до 100% сетей в зависимости от условий съемки. Как показал опыт наших работ в различных городах России, эта задача весьма актуальна, так как в эксплуатационных службах схемы теплосетей зачастую вообще отсутствуют, или отличаются значительными неточностями. По итогам каждого цикла съемок в Москве выполняется уточнение схем тепловых сетей, и каждый раз для наших заказчиков — это исключительно актуальная информация. 
В результате интерпретации на топооснову выносятся результаты диагностики состояния подземных тепловых сетей:

  • нормированные теплопотери;
  • повышенная утечка тепла (обычно нарушение или увлажнение теплоизоляции);
  • предаварийное состояние (высокая утечка тепла, скорее всего связанная с появлением небольших свищей);
  • аварийное состояние — разрыв теплопровода, сопровождающийся изливом теплоносителя.

Получаемые материалы используются заказчиками при составлении и корректировке ежегодных планов ремонтных работ. 
Используя материалы ИК аэросъемки, заказчики имеют возможность не только быстро оку-пить свои затраты, но и получить прибыль, причем экономический эффект тем выше, чем в более короткий срок пользователь сумеет «переварить» полученную информацию и на ее основе принять гра-мотные управленческие и технические решения. Так, например, стоимость съемки и полного цикла обработки тепловой ИК аэросъемки на 1 км2 составляет столько же, сколько перекладка 10 погонных метров среднего магистрального теплопровода. То есть, если в результате анализа полученных материалов объем перекладки теплосетей удалось уменьшить на 10 м, то заказчик уже окупил свои затраты. А если будет переложено на 20 м меньше — вот вам 100% прибыль. И это не считая эффекта от своевременного выявления и ликвидации аварийных участков, уменьшения подпитки, наиболее рационального использования вечно недостаточных денежных средств, экономии на земляных работах (наконец-то известно, где нужно копать…), да просто от получения и использования схем своих теп-лосетей. 
Однако, именно на пути максимально эффективного использования материалов тепловой аэросъемки мы сегодня видим самые большие сложности. Это и инерция мышления специалистов, традиционно не доверяющих дистанционной диагностике, и до сих пор низкое компьютерное оснащение предприятий заказчиков, и неспособность выделить пару человек и столько же компьютеров для работы с полученными материалами. Наконец, просто неумение или нежелание считать попрежнему не свои деньги. Вот один пример. В 1995г. «Аэрогеофизика» выполнила ИК аэросъемку всей территории Москвы. Получив свою долю материалов, каждый из заказчиков распорядился ими посвоему. Полтора года спустя вед. инженером «Тепловых сетей» А.М. Гончаровым был сделан анализ: 80% аварийных либо предаварийных ситуаций, показанных на материалах тепловой съемки нашли свое подтверждение (то есть в конце концов реализовались в виде полномасштабных аварий), при этом если бы вовремя сумели эти данные использовать, то удалось бы избежать прямого ущерба в размере 4 млрд. руб. Оптимизация же планов кап. ремонта с применением данных ИК съемки (плюс анализ привязанной паспортной базы) за счет последующего повышения надежности теплоснабжения равнозначна увеличению финансирования ремонтных работ примерно на 30% (за 1996г. это составило бы порядка 120 млрд. руб.) И это только для хозяйства одного заказчика. Увы, насколько нам известно, в конкретном случае эти прибыли остались на бумаге. 
А вот другой пример эффективности применения ИК аэросъемки, причем, в том же году. При аэросъемке 900 км тепловых сетей, находящихся в ведении МГП «Мостеплоэнерго» было выявлено 280 участков с утечкой теплоносителя, среди них 163 свища. Все утечки оперативно или в плановом порядке удалось ликвидировать. Затраты на эти работы составили 270 млн. рублей, экономический эффект составил 450 млн. рублей. И это не случайно. «Мостеплоэнерго», являясь нашим постоянным заказчиком, не только с пользой регулярно потребляет материалы ИК аэросъемки, но зачастую выступает инициатором новых уровней их обработки, диктует требования к аппаратно-программным средствам. По мнению главного инженера В.П. Кащеева, ИК аэросъемка, являясь инструментом дис-танционной диагностики городского теплового хозяйства, сегодня стала составной частью техноло-гического процесса обслуживания тепловых сетей. 
Получаемые в результате съемки тепловые изображения масштабируются, т.е. приводится в соответствие с кондициями крупномасштабной топоосновы (для города это 1:2000), что открывает возможность их использования в качестве растрового слоя в любых геоинформационных системах (ГИС). ГИС технологии, находящиеся в настоящее время в состоянии бурного развития, открывают фантастические возможности по применению материалов дистанционных зондирований, причем, буквально на всех уровнях исполнительных структур от Мэра до диспетчера в коммунальном пред-приятии. А уж не использовать имеющиеся и ежегодно обновляемые цифровые ИК изображения для решения задач земельного кадастра — просто грешно. 
Возможность обнаружения тепловой съемкой выпусков сбросовых вод (промышленных и коммунальных), в том числе малодебитных и слабоконтрастных, визуальное определение которых маловероятно, позволяет говорить об этом методе, как об основном при решении экологических задач в Москве. При этом даже не важно, являются ли эти сбросы существенно более теплыми или холодными по сравнению с водами загрязняемых водоемов. Кстати, эта задача может быть решена попутно при ИК аэросъемке городских территорий, хотя, разумеется, наилучшие результаты получаются при специализированных ночных съемках с настройкой тепловизионной аппаратуры исключительно на воду. Выполненная в апреле 1997г. по заказу Москомприроды тепловая аэросъемка рек Москвы и Яузы позволила выявить значительное количество промышленных и коммунальных сбросов, в том числе несанкционированных, в эти реки. 
В процессе ИК аэросъемок Москвы неоднократно выполнялась съемка Люблинских полей фильтрации (ЛПФ). Полученные материалы позволяют уверенно картировать участки активных био-термических процессов на территории ЛПФ, свидетельствующие о современном (вопреки официаль-ным данным) поступлении сточных вод в отдельные карты этих полей, провести районирование площади по степени активности этих процессов и влажности почво-грунтов. При этом выявляются локализованные сбросы вод в пруды-регуляторы стока. Выполнение этих работ в режиме мониторин-га позволяет прослеживать динамику экзотермических процессов и строить прогностическую модель их развития, а следовательно, и определить последовательность освоения территории под застройку. Материалы тепловой съемки показывают, что развернутое в юго-западной части ЛПФ — зоне развития наиболее активных процессов — массовое жилищное строительство является грубейшим пренебреже-нием требованиями к экологическому состоянию застраиваемых территорий. 
Первые опытно-методические работы по газовой и аэрозольной аэросъемкам были выполне-ны в Москве осенью 1991г. Тогда же была проведена аэрогамма-спектрометрическая съемка города. За ними последовали летняя съемка 1992г. и зимняя 1993г., что позволило говорить уже о сезонном мониторинге территории столицы. Материалы АГС съемки были переданы в НПО «Радон» как осно-ва для выполняемого этим предприятием радиационного мониторинга города. Выявленные в резуль-тате аномалии от точечных источников (одна — в Солнцево — порядка 300 мр/час) были локализованы, идентифицированы и оперативно переданы Гражданской обороне города для проведения дезактива-ционных мероприятий. Нельзя недооценить и фактор информативности полученных материалов по радиационному состоянию территории города, что после аварии на Чернобыльской АЭС в условиях прогрессирующей радиофобии населения имеет важное значение. Цикл выполненных мониторинго-вых исследований показал перспективность данного пути и открыл возможность проведения ком-плексного анализа уникальной информации. 
В марте 1996г. по заказу Москомприроды была выполнена комплексная экологическая аэро-геофизическая съемка Москвы полным комплексом масштаба 1:25000. В результате проведения был получен широкий спектр материалов (27 карт), характеризующих интегральные уровни сезонного (в весенний период) загрязнения приземной атмосферы (газовые и аэрозольные компоненты) и поверх-ности (материалы гамма-спектрометрии). 
Так из исследуемых газовых компонент наиболее интенсивно в атмосфере города проявлена двуокись азота, для которой средние значения концентрации в различных районах города меняются в пределах от 70 до 130 ppb (1,5 — 3 ПДК). Повышенные концентрации NO2 в атмосфере пространст-венно коррелируются с местами расположения действующих промышленных предприятий, в т.ч. ТЭЦ, РТС и др. Кроме того, одним из основных источников двуокиси азота являются выхлопы авто-мобильного транспорта, в связи с чем участки с наиболее высокими значениями NO2 тяготеют к уз-лам пересечения транспортных магистралей. 
Полученные данные представляют собой фактический материал, который может быть использован широким кругом пользователей, как элемент экологического мониторинга г. Москвы. На его основе может быть выполнена комплексная оценка состояния приземного слоя атмосферы, а также районирование площади по степени загрязнения и составу загрязняющих факторов. Кроме того мас-совое тиражирование материалов в виде атласа карт или CD-ROM диска может иметь самостоятель-ную, в том числе коммерческую ценность. 
Являясь по сути элементом мониторинга экологического состояния г. Москвы, настоящие работы предполагается продолжить до формирования полной картины сезонных уровней загрязнения территории города. Получение аналогичных материалов для осени, зимы и лета в совокупности с информацией наземных постов наблюдения позволит получать прогнозную картину состояния воздушного бассейна столицы. 
В конечном счете задачей дистанционного экологического мониторинга является получение комплексной информации для подготовки и принятия обоснованных управленческих решений, направленных на управление качеством жизни населения. При этом в анализ должны вовлекаться как разнообразные экологические данные, так и комплекс социально-демографических характеристик населения, материалы о размещении и особенностях технологического цикла промышленных предприятий и т.п. Очевидно, что размерность анализируемой выборки может достигать десятков, а то и первых сотен параметров. Содержательный анализ данных такой размерности невозможен без при-менения специальных методов комплексной математической обработки. ГНПП «Аэрогеофизика» располагает методикой и опытом выполнения вместе с дистанционными экологическими аэросъемками комплексной целевой обработки данных для решения этих задач. При этом наиболее оптималь-ным комплексным решением всего спектра проблем и задач, возникающих на пути от проведения съемок до их анализа должно явиться создание городской целевой ГИС «Экология-здоровье» со встроенными функциями обработки многомерных данных, включая материалы наземных исследова-ний и базы данных по городской статистике. Размещение материалов дистанционного экологическо-го мониторинга в любой ГИС не представляют сложности, поскольку все информация является циф-ровой и имеет четкую пространственную привязку. 
Недостаток средств на исследовательские программы в области охраны окружающей среды и коммунальной сферы — это сегодняшняя а, скорее всего, и завтрашняя реальность. Что неизбежно диктует необходимость выбора наиболее эффективных и экономичных методов и технологий. И тут уместно вспомнить, что высокоинформативные дистанционные аэрогеофизические съемки — это пре-жде всего комплексное решение плюс экономия средств городского бюджета.

Увидев в московском небе вертолет, вы можете быть уверены — ваши деньги не улетают на ветер, они работают на экономику города, на перспективу, они возвращаются экономией и эффективностью коммунальных и экологических программ. И если зимой вы не остались без тепла, если вам ни разу не пришлось перебираться через горячие ручьи, а летом в вашем дворе не появилась система траншей и окопов, то знайте — это сработала система дистанционного мониторинга. Качественно. Комплексно. И вовремя.