Франк-Каменецкий Д.А., Шпакова Е.Н., Отдел государственного регулирования в сфере охраны окружающей среды Комитета по природопользованию, охране окружающей среды и обеспечению экологической безопасности Санкт-Петербурга, тел.: (812) 232-82-67, e-mail: Frank@ecodata.spb.ru
Охрана воздушной среды является одним из приоритетных направлений политики Санкт-Петербурга в сфере экологии. Поэтому, при разработке информационно-аналитического комплекса «Экологический паспорт территории Санкт-Петербурга» особое внимание уделялось одному из его основных элементов – информационной системе «Атмосферный воздух».
Качество атмосферного воздуха в городе определяется выбросами загрязняющих веществ от предприятий, расположенных на его территории, и автомобильного транспорта – основного негативного фактора, определяющего возрастающее загрязнение всех сред и обеспокоенность горожан. Этот фактор останется доминирующим в оценке экологической ситуации в Санкт-Петербурге на период до 2012 года.
В 2006 году доля выбросов от стационарных источников в общем валовом выбросе загрязняющих веществ составила 18,6%. Основными загрязнителями в структуре данных источников являются предприятия промышленности, особенно предприятия электроэнергетики (соответственно, 76% и 62% от валового выброса всех стационарных источников). Ведущим загрязнителем атмосферы города среди стационарных источников на ближайшую перспективу останутся тепловые электростанции ТГК-1 (бывшее ОАО «Ленэнерго»).
Система управления качеством атмосферного воздуха в Санкт-Петербурге включает государственный мониторинг качества атмосферного воздуха, установление нормативов выбросов, проведение модельных расчетов уровня его загрязнения атмосферными выбросами промышленных предприятий и автотранспорта. Он ведется с целью выработки планов мероприятий по снижению негативного воздействия, а также проведения природоохранных мероприятий, нацеленных на снижение выбросов загрязняющих веществ в атмосферу.
Одним из основных инструментов информационной поддержки системы управления качеством атмосферного воздуха на территории города является информационная система «Атмосферный воздух», являющаяся одним элементов информационно-аналитического комплекса «Экологический паспорт территории Санкт-Петербурга». Система позволяет интегрировать имеющиеся данные по качеству атмосферного воздуха и проводить их совместный анализ. Она включает в себя блок хранения первичных данных и ряд информационных сервисов, использующих технологию ESRI ArcIMS, а также авторские программные приложения и расчетные модули.
Информационный блок «Атмосферный воздух»
В соответствии с общей структурой информационно-аналитического комплекса «Экологический паспорт территории Санкт-Петербурга» и задачами, решаемыми с его помощью, информационный блок «Атмосферный воздух» предназначен для хранения как пространственных, так и фактографических первичных данных, характеризующих качество атмосферного воздуха на территории города.
Источниками первичных данных являются:
- результаты автоматизированного контроля качества атмосферного воздуха
- результаты мониторинга атмосферного воздуха, осуществляемого Роспотребнадзором
- данные о стационарных источниках выбросов загрязняющих веществ в атмосферу
- данные о выбросах загрязняющих веществ в атмосферу от автотранспорта.
Автоматические станции контроля качества атмосферного воздуха (далее – станции) функционируют непрерывно и обеспечивают регулярное получение оперативной информации об уровне загрязнения атмосферного воздуха Санкт-Петербурга основными загрязняющими веществами. Система контроля включает 17 таких станций (14 – павильонного типа и 3 беспавильонных), две отдельные метеорологические станции, две передвижные лаборатории мониторинга загрязнения атмосферного воздуха, Центр контроля и управления работой станций (в составе Лаборатории экологического мониторинга ГГУП «Минерал»), Центр информационного обеспечения органов государственной власти (Комитет). Схема размещения автоматических станций Системы представлена на рис. 1.
Рис. 1. Схема размещения станций Системы.
Станции в автоматическом режиме проводят определение таких загрязнителей атмосферного воздуха как NO2, NO, SO2, CO, пыль и озон, а также определяют метеорологические параметры. Данные накапливаются в дата-логгерах на станциях и ежечасно с использованием GSM модемов передаются на центральный сервер, где проходят автоматический контроль и математическую обработку. В целом система производит около 1,5 млн. элементоопределений в год.
Данные мониторинга атмосферного воздуха, прошедшие автоматический и экспертный контроль, еженедельно обновляются на сервере баз данных информационно-аналитического комплекса «Экологический паспорт территории Санкт-Петербурга». Обновление проводит организация, эксплуатирующая этот комплекс, используя VPN канал.
Результаты мониторинга отражены на официальном портале Правительства Санкт-Петербурга, где они представлены в виде месячного хода индекса загрязнения атмосферного воздуха в точках наблюдения. Соответствующий растровый файл ежемесячно размещается на Портале. Также осуществляется еженедельная передача данных в районные газеты города (рис. 2).
Рис. 2. Использование данных о качестве атмосферного воздуха, полученных с помощью автоматизированных станций контроля.
Через локальную сеть Комитета сотрудники могут получить непосредственный доступ к данным мониторинга, используя интерфейс информационного сервиса «Дежурные карты состояния атмосферного воздуха по данным УКВ», входящего в состав системы «Атмосферный воздух». Этот сервис разработан на базе ArcView (рис. 3). Он позволяет формировать пользовательские запросы по дате измерения, сроку наблюдений, веществу и методу осреднения данных. Отчет по запросу предоставляется пользователю в графической или табличной форме. Данные автоматического мониторинга качества атмосферного воздуха позволяют проследить суточные, недельные и сезонные вариации загрязнения воздуха в разных точках города и спрогнозировать дальнейшее развитие экологической ситуации.
Рис. 3. Интерфейс информационного сервиса для работы с базой данных о качестве атмосферного воздуха.
Ручной отбор проб атмосферного воздуха ведут сотрудники Управления федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека по городу Санкт-Петербург. Отбор производится в 52 точках на территории города 1 раз в неделю (рис. 4). Получаемые в результате лабораторных анализов данные используются для построения карт распределения концентраций 14 загрязняющих веществ – как основных загрязнителей (NO2, CO, SO2), так и ряда летучих органических соединений, тяжелых металлов и др.
Рис. 4. Размещение постов отбора проб атмосферного воздуха Роспотребнадзором.
Подобный вид мониторинга, ввиду отсутствия непрерывных рядов наблюдений, не позволяет проследить динамику сезонных или месячных колебаний качества атмосферного воздуха. Тем не менее, количество станций наблюдения позволяет, с известной долей условности, построить карты полей средних концентраций различных загрязняющих веществ на территории города (рис. 5). Для построения карт используются осредненные данные наблюдений в течение года. Эти карты могут служить справочной информацией для качественной оценки загрязнения воздуха по районам города.
Рис. 5. Карта среднегодового уровня загрязнения атмосферного воздуха HCl по данным Роспотребнадзора.
Пользовательский доступ как к картам, так и к первичным данным лабораторных измерений обеспечивается информационным сервисом «Карты загрязнения атмосферного воздуха по данным Роспотребнадзор» – специализированным расширением для ArcView (рис. 6). Сервис позволяет формировать пользовательский запрос по дате отбора проб, веществу, методу осреднения, а также выбирать метод визуализации данных. Сервис доступен в рамках локальной сети Комитета.
Рис. 6. Интерфейс информационного сервиса для работы с базой данных Роспотребнадзора.
База данных источников выбросов и расчетные методы оценки качества атмосферного воздуха. Кроме инструментальных методов контроля качества атмосферного воздуха Комитет развивает расчетные методы оценки, широко используемые и в странах Западной Европы. Моделирование загрязнения атмосферного воздуха является мощным инструментом, эффективно используемым для оценки и прогноза качества воздуха в различных целях. Основными достоинствами моделирования являются возможность выполнять оценки фактического качества воздуха по не измеряемым компонентам (то есть выполнять функции мониторинга), а также давать прогностические оценки изменения качества воздуха под влиянием изменения метеорологических условий и характеристик источников загрязнения. Такие преимущества делают моделирование гибким инструментом анализа альтернативных сценариев развития города в целом и его отдельных территорий.
В России наибольшее распространение получили модели рассеивания, основанные на нормативной методике ОНД-86. Эта методика ориентирована на точечные и линейные источники и их совокупности. В ней имеются специальные разделы, посвященные расчету концентраций в пересеченной местности и в условиях застройки. Методика проверялась в ходе многочисленных экспедиций и в лабораторных условиях, как в нашей стране, так и за рубежом. Проводились ее независимые оценки (вслепую) на зарубежных данных мониторинга. Уровень точности этой методики соответствует требованиям директив Евросоюза. Методика ОНД-86 позволяет выполнить расчеты концентраций атмосферных примесей для любой точки на рассматриваемой территории.
С 2003 года по заказу нашего Комитета проводились работы по адаптации модели рассеивания примесей к конкретным условиям Санкт-Петербурга. В результате за три года работ был создан и внедрен модульный программный комплекс «Эколог-Город-Санкт-Петербург». Он включает модули для расчета максимально разовых концентраций, средних приземных концентраций, а также модули для расчета необходимого сокращения выбросов и расчета риска для здоровья (рис. 7). Исходной для расчета является база данных источников выбросов в атмосферный воздух и файлы метеорологических параметров. В настоящее время эта база данных содержит более 22000 объектов. Все источники выбросов подразделяются на 2 группы: стационарные и передвижные. Стационарные источники – источники выбросов промышленных предприятий – подразделяются на точечные, линейные и площадные. Передвижные источники выбросов (автотранспорт) оказывают во многом решающее влияние на качество воздуха в городе. Выбросы передвижных источников учитываются в виде эмиссии от участков автомагистралей, представляющих собой полигональные объекты. Объем выбросов зависит от структуры транспортных потоков (скорость, интенсивность, виды транспортных средств), оценка которых производится путем визуального контроля и по данным автоматических датчиков.
Рис. 7. Расчетные модули программного комплекса «Эколог-город-Санкт-Петербург».
Все данные по источникам выбросов хранятся в единой базе геоданных, включающей пространственное описание объектов, параметры объектов и таблицы выбрасываемых загрязняющих веществ. Для стационарных источников база данных формируется по материалам томов ПДВ и годовых технических отчетов. Информационный сервис «Выбросы источников загрязнения по Санкт-Петербургу» обеспечивает доступ к этой базе данных различным категориям пользователей в пределах локальной сети Комитета. Сервис разработан на базе ArcIMS и обеспечивает просмотр всей необходимой информации через веб-браузер (рис. 8).
Рис. 8. Пользовательский интерфейс информационного сервиса «Выбросы источников загрязнения по Санкт-Петербургу».
Обновление базы данных ведется постоянно по мере оцифровки разрешительной документации. В дальнейшем Комитет планирует сократить затраты на оцифровку данных за счет использования информационного сервиса «НОВОС» Экологического портала Санкт-Петербурга, описанного в статье «Экологический портал Infoeco.ru”.
Как упоминалось выше, для проведения модельных расчетов рассеивания загрязняющих веществ используется весь объем накопленных данных по источникам выбросов в атмосферный воздух. Однако расчетный модуль «Эколог-город-Санкт-Петербурга», изначально разработанный фирмой «Интеграл» для проведения оценки негативного воздействия предприятия, использует внутренний формат данных, исключающий возможность импорта из стандартных dbf или mdb файлов. Для импорта данных об источниках выбросов программный комплекс «Эколог-город-Санкт-Петербург» использует свой уникальный транспортный текстовый формат данных Int. Для решения проблемы импорта исходных данных из формата персональной базы геоданных (mdb) в «Эколог-город» специалистами «Интеграл» был разработан модуль импорта из mdb в формат Int. Модуль позволяет не только конвертировать данные, но и проверяет их корректность по формальным признакам, что повышает точность расчетов.
Результатом моделирования является равномерная сетка со значением рассчитанной максимально разовой или среднегодовой концентрации в ее узлах. Шаг сетки задается оператором и зависит от площади расчета, высоты источников и объемов выбрасываемых загрязняющих веществ. Результаты расчета экспортируются в виде dbf файла и затем обрабатываются средствами модуля ArcGIS Spatial Analyst.
Примеры результатов расчетов и пространственного анализа
Для определения влияния реализации приоритетных мероприятий по строительству и реконструкции объектов улично-дорожной сети Санкт-Петербурга на 2004-2008 годы на качество атмосферного воздуха на территории города было проведено моделирование рассеивания основных загрязняющих веществ, выбрасываемых автотранспортом: NO2 и CO (рис. 9). Анализ показал, что наибольший эффект для улучшения качества атмосферного воздуха на территории Санкт-Петербурга даст осуществление 8 мероприятий.
Рис. 9. Карта распределения диоксида азота в атмосферном воздухе по результатам моделирования и объекты из Перечня приоритетных мероприятий по строительству и реконструкции улично-дорожной сети Санкт-Петербурга на 2004-2008 гг.
Этими мероприятиями являются: реконструкция Пискаревского пр. на участке от Свердловской наб. до ул.Руставели; реконструкция путепровода в створе Пискаревского пр. через железнодорожные пути ст.Пискаревка; реконструкция южной набережной Обводного канала со строительством участка от Предтеченского моста до пр.Обуховской Обороны; комплексная реконструкция Синопской наб. на участке от наб. Обводного канала до ул.Моисеенко; реконструкция Приморского пр. на участке от ул.Академика Шиманского до Яхтенной улицы и строительство путепровода в створе Коломяжского пр. через железнодорожные пути Сестрорецкого направления.
Для каждого из мероприятий был рассчитан эффект от его осуществления. Так, например, расчёт эффекта от проведения реконструкции Приморского пр. на участке от ул.Академика Шиманского до Яхтенной улицы показал, что качество атмосферного воздуха на прилегающих территориях существенно повысится. Возможное превышение максимально-разовых концентраций по диоксиду и оксиду азота, оксиду углерода при самых неблагоприятных условиях в районе рассматриваемого участка понизится в два раза – до 11-12 ПДК по диоксиду азота и до 3,6-4,7 ПДК по оксиду углерода. Площадь территории, на которой максимально разовая концентрация диоксида азота при самых неблагоприятных условиях может превысить 5 максимально разовых ПДК, уменьшится с 482 до 298га (рис. 10). Площадь территории, на которой максимально разовая концентрация оксида азота по результатам моделирования при тех же условиях может превысить максимально разовую ПДК, уменьшится с 53 до 12га. Площадь территории, на которой максимально разовая концентрация оксида углерода по результатам моделирования при таких условиях может превысить 2 максимально разовых ПДК, уменьшится с 379 до 238га (рис. 11).
Рис. 10. Приморский проспект. Результаты моделирования загрязнения воздуха диоксидом азота в долях максимально разовой ПДК до (А) и после (Б) проведения мероприятий.
Рис. 11. Приморский проспект. Результаты моделирования загрязнения воздуха оксидом углерода в долях максимально разовой ПДК до (А) и после (Б) проведения мероприятий.
В результате реконструкции Пискаревского пр. на участке от Свердловской наб. до ул. Руставели и реконструкции путепровода в створе Пискаревского пр. через железнодорожные пути ст. Пискаревка превышение концентраций по диоксиду азота при самых неблагоприятных метеорологических условиях снизится почти в три раза – до 12 ПДК, а по оксиду углерода – до 2 ПДК. Площадь территории, на которой максимально разовая концентрация диоксида азота по результатам моделирования при самых неблагоприятных условиях может превысить 5 максимально разовых ПДК, уменьшится с 56 до 11га (рис. 12). Площадь территории, на которой максимально разовая концентрация оксида азота по результатам моделирования при тех же условиях может превосходить 1 максимально разовую ПДК, уменьшится с 0,7га до полного отсутствия возможного загрязнения. Площадь территории, на которой максимально разовая концентрация оксида углерода по результатам моделирования при самых неблагоприятных условиях может превысить 2 максимально разовых ПДК, уменьшится с 63 до 7 га (рис. 13).
Рис. 12. Пискаревский проспект. Результаты моделирования загрязнения воздуха диоксидом азота в долях максимально разовой ПДК до (А) и после (Б) проведения мероприятий.
Рис. 13. Пискаревский проспект. Результаты моделирования загрязнения воздуха оксидом углерода в долях максимально разовой ПДК до (А) и после (Б) проведения мероприятий.
Пространственный анализ изменения качества атмосферного воздуха показал, что реализация рассмотренных приоритетных мероприятий позволит на 1679га сократить площадь территорий города с повышенным уровнем загрязнения приземной атмосферы. На этой территории расположен 621 многоквартирный жилой дом. Таким образом, можно говорить об улучшении условий проживания для 150 тысяч горожан.
На основании приведенной аргументации все предложенные мероприятия были включены в программу приоритетного финансирования Правительством Санкт-Петербурга.
Заключение
Несмотря на все усилия, предпринимаемые Правительством Санкт-Петербурга для улучшения качества атмосферного воздуха на территории города, загрязнение воздушной среды остается основной экологической проблемой нашего мегаполиса. Постоянный рост парка автотранспорта в сочетании с ростом количества промышленных предприятий и увеличением мощностей предприятий энергетического комплекса приводят специалистов к прогнозированию негативной тенденции развития экологической ситуации. В этой связи использование современных технологий пространственной обработки и анализа данных позволяет существенно повысить эффективность управления качеством атмосферного воздуха. Комплексный подход, реализованный в информационной системе «Атмосферный воздух» Экологического паспорта территории Санкт-Петербурга, позволяет сочетать ведение баз данных источников выбросов, инструментальные и расчетные методы контроля качества воздуха, а также использовать инструменты пространственного анализа при организации информационной поддержки принятия управленческих решений в сфере городского планирования. А принятие экологически дружественных управленческих решений является основой устойчивого развития города и региона в целом.
