Исследовательская работа на тему "Методы мониторинга загрязнения акватории"

Методы мониторинга загрязнения акватории. Информационные системы, обеспечивающие предотвращение загрязнения акватория судами Ломакина Анна 2017 г. Проблема загрязнения морей и прибрежных акваторий  нефтепродуктами в настоящее время приобрела глобальный характер.  Причинами являются: аварии нефтеналивных танкеров, сброс с танкеров  балластной воды, содержащей высокую концентрацию нефтепродуктов,  утечки при бурении нефтяных скважин и на нефтепроводах в шельфовых  зонах океана и др.  Мы оценили данные мониторинга акватория по загрязнению  нефтепродуктами. Для этого необходимо было проанализировать  концентрацию нефтяных углеводородов на акватории, приток  нефтепродуктов в морскую среду и оценить источники загрязнения.  Одна из самых больших проблем, с которыми сталкиваются нефтяные  компании и правительства является мониторинг нефтяных загрязнений в  акватории того или иного залива, водоема и т.д. Способность нефти покрывать пленкой большие акватории моря при  сравнительно небольших разливах приводит к тому, что даже незначительный  разлив приводит к крайне негативным последствиям. Спустя всего 10 мин  после разлива 1 тонны нефти, она покрывает пленкой область радиусом более  50 км, формируя нефтяное пятно или, так называемый, нефтяной слик.  Оказавшись в морской среде нефть и нефтепродукты, оказывают пагубное  воздействие на морскую фауну и флору, нарушают процессы физического,  химического и биологического обмена в системе океан­атмосфера, наносят  существенный урон индустрии туризма и отдыха. Нефть попадает в море различными путями. Чаще всего упоминают  аварии танкеров, перевозящих нефть. Первая авария, которая всколыхнула  мир, произошла в 1967 г. у берегов Западной Европы. Супертанкер “Торри  Каньон” потерпел крушение около берегов Великобритании. В море попало 120 000 тонн нефти. Погибло 50 000 птиц (90% птиц этого региона). Хотя  таких аварий не очень много, они составляют 12% от всех источников  загрязнения. Больше всего нефти попадает в море в результате судоходства  (27%), а также со стоком бытовых и промышленных вод (30%) и при  разгрузке танкеров. Их промывают морской водой, которую затем сливают в  море.   Крупнейшие разливы нефти, связанные с авариями танкеров «Эксон  Валдиз», «Эрика», «Престиж» и др., оказали существенное воздействие на  прибрежные экосистемы в региональном масштабе, ущерб от которого  оценивается в миллионы долларов.   Зависимость мировой экономики от нефтеуглеводородного сырья, и,  соответственно, необходимость его транспортировки от производителя до  потребителя заставляют мировое сообщество искать эффективные пути  обеспечения экологической безопасности добычи и транспортировки нефти.  Были подписаны и выполняются международные конвенции и соглашения,  регламентирующие ответственность перевозчиков за возможные разливы,  значительно улучшены технические характеристики танкеров, повышена  эффективность служб береговой охраны и проводки судов, созданы  международные и региональные центры мониторинга и реагирования на  нефтеразливы. Усилия по снижению рисков, связанных с разливами нефти и  нефтепродуктов, в целом направлены на внедрение эффективных систем  слежения за движением судов и улучшение координации служб мониторинга и реагирования. Прорыв в обеспечении экологической безопасности перевозок  был достигнут благодаря развитию технологий дистанционного зондирования. В настоящее время мониторинг портов, транспортных узлов и наиболее  загруженных судоходных трасс осуществляется с помощью дистанционного  зондирования. Своевременное обнаружение и принятие экстренных мер по  предотвращению распространения загрязнений может во много раз снизить  нанесенный ущерб.   Одна из ведущих ролей в реализации аэрокосмического мониторинга, в  том числе и нефтяных загрязнений акватории Мирового океана принадлежит  съемкам, выполняемым в оптическом диапазоне спектра. Следует отметить,  что аэро и космофотоматериалы оптического диапазона используются для  дешифрования геологических процессов и явлений уже не одно десятилетие,  и здесь достигнуты значительные успехи. Достаточно хорошо отработана  методика дешифрирования снимков, определена точность и надежность  получаемой информации.  В мире уделяется огромное значение созданию систем обнаружения и  контроля загрязнения морской среды. Эффективными средствами контроля  загрязнения вод нефтепродуктами являются спутниковые системы ДЗЗ и  особенно спутниковые радиолокационные наблюдения, позволяющие получать информацию о загрязнении морской поверхности независимо от освещенности и облачного покрова, в широкой полосе обзора и с высоким  пространственным разрешением. В последние годы в большинстве стран мира мониторинг нефтяных  загрязнений осуществлялся преимущественно на основе спутниковых  радиолокационных данных (ИСЗ ERS, ENVISAT, RADARSAT, TERRA­SAR и др.). Несмотря на существенные преимущества по сравнению с другими  средствами наблюдения (авиационными и судовыми), спутниковые системы  имеют ограничения по периодичности съемки одного и того же района моря  (периодичность 1 раз в 3 суток с учетом возможности изменения углов  наблюдения). Это ограничение может быть устранено при расширении  спутниковой группировки. Кроме того, радиолокационные данные высокого  разрешения поставляются потребителям с задержкой, связанной с затратами  времени на синтезирование изображений в наземных центрах обработки данных и на доставку информации потребителю. Таким образом, время от  момента разлива нефти до изготовления карты по данным радиолокационной  съемки может составлять от 1 до 4 суток. Для российских потребителей  время получения радиолокационных данных может еще увеличиться, так как  собственных радиолокационных спутниковых систем Россия в настоящее  время не имеет, а потребители стран ЕС имеют более высокий приоритет при  заказах космической съемки. Кроме того, радиолокационные средства наблюдения имеют  ограничения, связанные с гидрометеорологическими условиями в районе  съемки. Оптимальной для радиолокационного обнаружения нефтяных пленок  является мгновенная скорость ветра над морской поверхностью 3­8 м/сек  (волнение 2­7 баллов по шкале Бофорта). В этом случае пленки выглядят  темными пятнами на светлой (взволнованной) поверхности моря. При  меньшей скорости ветра нефтяные пленки становятся невидимыми на гладкой поверхности моря. При сильном ветре они исчезают вследствие интенсивного  перемешивания. Для мониторинга загрязнения морской поверхности широко  используются также авиационные наблюдения. Однако при выполнении  авиационной съемки загрязнений морской поверхности приходится  сталкиваться с еще большим количеством ограничений, чем при проведении  спутниковых наблюдений.  Невозможность выполнения полетов в сложных  гидрометеорологических условиях. Метеоусловия должны удовлетворять  следующим требованиям: облачность ­ не ниже 350 м; видимость по  горизонтали ­ не менее 5 км; скорость ветра ­ не более 15 м/сек для  спасательных операций и не более 10 м/сек для обычных полетов; Ограничения (как и у спутника) условий съемки. Авиационная съемка  не всегда дает возможность выявить характерный для пятен, содержащих нефтепродукты, радужный след: это зависит от освещенности, углов  наблюдения, степени развитости поверхностного волнения; Невозможность единовременного полного покрытия съемкой всей  контролируемой акватории. Для покрытия обширных площадей моря  используется галсовая полигонная съемка, которая не обеспечивает контроль  загрязнений на больших площадях в промежутках между галсами, в связи с  чем существует большая вероятность пропусков крупных (>0,01 км2)  нефтяных разливов (согласно международным требованиям CEOS все  нефтяные загрязнения, превышающие по площади 0,01 км2, должны  подлежать обязательной регистрации); Ограниченность полетов в связи с режимом секретности расположения  объектов (военные объекты, АЭС, хранилища опасных химических веществ и  др.) на побережье или иными запретами, накладываемыми официальными  органами государственной власти. Несмотря на имеющиеся ограничения, спутниковые радиолокационные  наблюдения на сегодняшний день являются наиболее эффективным средством контроля нефтяных загрязнений морской поверхности. В мире спутниковый  радиолокационный мониторинг нефтяных загрязнений морской среды  развивается в четырех направлениях.  Использование спутниковых радиолокационных средств наблюдения  как составной части национальных систем оперативного контроля нефтяных  загрязнений прибрежных акваторий и территориальных вод.  Проведение оперативного контроля нефтяных загрязнений по  отдельным морям в рамках международных соглашений между странами  соответствующего региона.  Реализация национальных и международных проектов по космическому мониторингу загрязнений морей России. Выполнение проектов в интересах частных коммерческих компаний,  связанных с добычей и транспортировкой нефтепродуктов на морском  шельфе. Анализ материалов по первому направлению показывает, что в  некоторых странах мира действует государственная система оперативного  контроля аварийного загрязнения территориальных вод, в которой ключевая  роль принадлежит спутниковой радиолокационной информации. В США и Канаде такие системы находится в ведении Служб береговой  охраны. После обнаружения со спутника нефтяного разлива в район аварии  направляется судно или авиационное средство для уточнения масштаба  загрязнения и выявления виновника. Финансирование этих работ  осуществляется в рамках государственной программы Integrated Satellite  Tracking of Oil Pollution (ISTOP). Программа действует с 1990 г., в связи с  участившимися авариями танкеров у берегов США и загрязнением  прибрежных вод нефтью (более 30 аварий в год).  В Дании такую функцию выполняет военная организация (Admiral  Danish Fleet), в аббревиатуре датского языка (SOK), где анализируется  оперативная спутниковая информация и в случаях обнаружения нефтяного  загрязнения в район направляется военный самолет для детального  обследования. По результатам спутниковых и авиационных данных строится  карта загрязнения территориальных вод Дании, которая обновляется каждые  24 часа. Карта размещена на сайте: http:/forsvaret.dk/StopOlien/eng/.  В Норвегии скоординированный спутниковый и авиационный  мониторинг побережья и морских районов осуществляет Norwegian Pollution  Control Authority (SFT) при министерстве окружающей среды. В работе также  принимают участие Береговая служба Норвегии и Конгсбергская станция  спутниковой связи в г. Тромсе. По данным мониторинга в территориальных  водах Норвегии ежегодно отслеживается 500­600 случаев разлива  нефтепродуктов. По второму направлению следует отметить европейский опыт  использования спутниковой радиолокации для мониторинга нефтяных  загрязнений Северного и Балтийского морей.   Страны, входящие в бассейн Северного моря ­ Бельгия, Дания,  Франция, Германия, Нидерланды, Норвегия, Швеция и Соединенное  Королевство Великобритании и Северной Ирландии, заключили Боннское  соглашение о взаимной помощи в борьбе с загрязнением Северного моря.  Боннское соглашение было подписано еще в 1969 г., а в 1983 г. оно было  пересмотрено, ратифицировано всеми странами, и заработало в полную силу.  Первоначально мониторинг загрязнения морских вод осуществлялся с  самолетов. C вводом в действие спутника ERS­1 в 1991 г. и до настоящего  времени, оперативный мониторинг загрязнения поверхности Северного моря  проводится на основе совместного использования спутниковой  радиолокационной информации и данных самолетных наблюдений.  Аналогичное соглашение (Хельсинкская конвенция) было подписано в  Хельсинки (ХЕЛКОМ) в 1974 г. между странами, входящими в бассейн  Балтийского моря, оно вступило в силу в 1980 г. В настоящее время в состав  межправительственного сотрудничества по защите морской среды  Балтийского моря от всех источников загрязнения входят: Дания, Эстония,  Европейское сообщество, Финляндия, Германия, Латвия, Литва, Польша,  Россия и Швеция. В рамках ХЕЛКОМ мониторинг загрязнения Балтийского  моря осуществляется по той же схеме, что и Северного моря. В результате  действия Хельсинкской конвенции число ежегодно наблюдаемых незаконных  сбросов нефти постепенно сокращается (с 488 в 1999 году до 292 в 2003  году).   По третьему направлению проведен обзор проектов по загрязнению  морской среды с использованием спутниковых данных, выполняемых в России в последние годы. Следует отметить, что все эти проекты являются  демонстрационными или исследовательскими, в отличие от настоящего проекта, выполняемого ГУ "НИЦ "Планета" (с участием специалистов  Гидрометцентра РФ, ИО РАН и ИКИ РАН) и ориентированного на  оперативный спутниковый мониторинг. Большинство из них являются  пилотными проектами, которые выполняются по международным  программам. Цель таких проектов: демонстрация возможностей проведения мониторинга российских  морей с помощью космических средств ДЗЗ зарубежных спутников; продвижение на российский рынок зарубежной спутниковой  информации высокого разрешения; продвижение на российский рынок зарубежного программного  обеспечения; получение зарубежными организациями сведений о масштабности  загрязнения российских морей и др.  Наибольшее количество проектов по изучению загрязнения российских  морей нефтепродуктами на основе радиолокационных данных с зарубежных  спутников осуществляется в рамках системы GMES. Система GMES ­  глобальный мониторинг окружающей среды в целях экологии и безопасности ­ представляет собой совместную инициативу ЕКА и Евросоюза, о которой  впервые было объявлено в мае 1998 года на совещании в Бавено (Baveno), в  Италии.  В рамках GMES в последние годы были в выполнены следующие  проекты: ERUNET (Еuropean­Russian­Ukrainian GMES Network for Monitoring of  Oil Spill and Oil & Gas Pipelines. Проект координируется Совместным  исследовательским центром (Joint Research Centre ­ JRC) Европейской  комиссии, расположенном в Испре (Ispra), Италия.  OSCSAR ­ (Marine Oil Control: SAR monitoring and model prediction).   В настоящее время выполняются проекты: DEMOSSS (Dеvelopment of Marine Oil Spills/slicks Satellite monitoring  System Elements Targeting the Black/Caspian/Kara/Barents Seas) вступил в  действие в феврале 2007 г. Он выполняется в рамках программы INTAS.  MONRUK (Monitoring the Marine Environment in Russia, Ukraine and  Kazakhstan using Synthetic Aperture Radar) ­ выполняется с сентября 2007 г. MOPED (Monitoring of Oil Pollution using Earth Observation Data) ­  вступил в действие в 2007 г. по программе INTAS.  Следует также упомянуть несколько российских проектов по  спутниковому мониторингу загрязнений морской среды.  В 2004­2005 гг. специалистами ААНИИ, НИИКАМ и ИТЦ "СканЭкс"  был выполнен пилотный проект по всепогодному мониторингу объектов  морской транспортной инфраструктуры Финского залива с использованием  информации ИСЗ RADARSAT.  В 2007 г. ИТЦ "СканЭкс" в сотрудничестве с некоммерческой  организацией НП "Прозрачный мир" запущен онлайн проект  "Радиолокационный мониторинг нефтяных загрязнений северной части  Каспийского моря".  Центр "Сканэкс" совместно с Всемирным фондом дикой природы  WWF России в июне 2007 года выполнил также проект по мониторингу  района в зоне работ по проекту "Сахалин­2".  Кроме того, по спутниковому радиолокационному мониторингу морей  мира, включая российские, выполняются проекты OCEANIDES, DISMAR,  Mersea, Roses, Coastwatch, Seawatch, WIN, ORCHESTRA, в которых не  принимают участие российские специалисты.  Проекты по четвертому направлению выполняются в интересах  частных коммерческих компаний. Таких проектов в России не очень много.  При этом каждая компания предъявляет очень жесткие требования к  исполнителям проектов и может менять исполнителей, если они по каким­ либо параметрам не удовлетворяют компанию. По данному направлению целесообразно выделить проект "Спутниковый мониторинг юго­восточной  части Балтийского моря", который выполнялся при финансировании  нефтяной компании "ЛУКОЙЛ­Калининградморнефть". Основная цель  выполненного мониторинга состояла в сборе материалов с целью оградить  компанию от возможных претензий со стороны близлежащих балтийских  стран по поводу действительного или надуманного загрязнения нефтью  акватории и побережий. Эта задача решалась на основе изображений с  радиолокационных спутников типа ENVISAT и RADARSAT. В 2004 г. в  проекте принимали участие специалисты ИО РАН, ИКИ РАН, МГИ НАНУ и  др. С 2005 г. эта работа выполняется в основном норвежским специалистами  Конгсбергской станции спутниковой связи в г. Тромсе.  Оптические изображения дают меньше деталей для области пятна,  однако больше информационных признаков для распознавания пятен как  нефтяных загрязнений. В большинстве случаях нефтяные пятна выделяются  на фоне окружающей воды за счет различной шероховатости морской  поверхности в пятнах из­за выглаживания мелкомасштабного волнения и вне  их. Дополнительными условиями наблюдаемости пятен являются  оптимальные оптические условия – отсутствие облачности и наличие  солнечного блика. Неизменность формы и размеров пятен загрязнений в  течение времени наблюдений свидетельствует о стационарности загрязнений,  а также о медленном течении процессов диссипации и распада нефтяных  пленок.  В последние годы в большинстве стран мира мониторинг нефтяных  загрязнений осуществлялся преимущественно на основе спутниковых  радиолокационных данных (ИСЗ ERS­1/2, Envisat, Radarsat­1, TerraSAR­Х и  др.), позволяющие получать информацию о загрязнении морской поверхности  независимо от освещенности и облачного покрова, в широкой полосе обзора и  с высоким пространственным разрешением.  Несмотря на существенные преимущества по сравнению с другими  средствами наблюдения (авиационными и судовыми), спутниковые системы имеют ограничения по периодичности съемки одного и того же района моря  (периодичность 1 раз в 3 суток). Это ограничение может быть устранено при  расширении группировки спутников. Кроме того, РЛ­данные высокого  разрешения поставляются потребителям с временной задержкой, связанной с  синтезом изображений в центрах обработки данных и доставкой информации  потребителю. Таким образом, время от момента разлива нефти до  изготовления карты по данным РЛ­съемки может составлять несколько суток. Кроме того, РЛ­средства наблюдения имеют ограничения, связанные с  гидрометеорологическими условиями в районе съемки. Оптимальной для  радиолокационного обнаружения нефтяных пленок является скорость ветра  над поверхностью моря от 3 до 8 м/с (волнение 2­7 баллов). В этом случае  пленки нефти выглядят темными пятнами на радиолокационном изображении  (РЛИ) на фоне светлой (взволнованной) поверхности моря. При меньшей  скорости ветра нефтяные пленки становятся неразличимыми на РЛИ на фоне  спокойной поверхности моря. При сильном ветре они исчезают вследствие  интенсивного перемешивания.  Наибольшие детальность и контрастность  нефтяное пятно имеет на РЛИ, включающем такие детали, как элементы  внутренней структуры пятен, кильватерный след корабля, пересекающего  пятно, а также яркую отметку от самого корабля.  При диагностике нефтяных пятен на РЛИ учитывается комплекс  факторов, а именно: ветровые условия, состояние поверхности моря  (волнение), присутствие проявлений других океанических и атмосферных  процессов и явлений, проявляющихся в виде сигнатур, подобных нефтяным  пятнам и др. Выявление нефтяных пятен включает в себя несколько этапов:   ­ идентификацию нефтяных пятен по их геометрическим и текстурным  признакам, а также с учётом наличия поблизости судов ­ потенциальных  источников загрязнения (табл. 1). Для улучшения надёжности идентификации  пятен обычно привлекаются метео и спутниковые (Quikscat) данные о  скорости ветра, определение координат и площади пятен; ­ определение вероятных источников появления пятен (судов,  платформ, прибрежных терминалов и предприятий – НПЗ, трубопроводов,  стоков канализаций, устьев рек и т.п.); ­ определение направления и скорости дрейфа пятен (на основе данных  о ветре и течениях или на основе последовательных съемок), прогноз  направления и скорости переноса пятен.   Координаты обнаруженных нефтяных пятен фиксируются и в  дальнейшем используются для наблюдения их распространения на  последующих РЛИ. Далее пятна оконтуриваются, наносятся на координатную сетку. При наличии поблизости судов, которые могут быть источником  загрязнения, определяются их координаты.  Список литературы 1.  Геоэкологический мониторинг морских нефтегазоносных акваторий / Л. И. Лобковский, Д. Г. Левченко, А. В. Леонов, А. К. Амбросимов; [отв. ред.  С. С. Лаппо]; Ин­т океанологии им. П. П. Ширшова. ­ М.: Наука, 2005. ­ 326 с. 2.  Курапов А. А., Попова Н. В., Островская Е. В. Экологическая  безопасность нефтяных операций на мелководном шельфе. Международная практика и опыт российских компаний на Северном Каспии: моногр. ­  Астрахань: Изд­во ООО «Новая артель», 2006. ­ 266 с.  3.  Охрана морских биоресурсов в условиях освоения нефтегазовых  месторождений на шельфе РФ: материалы междунар. семинара. ­ М.:  Госкомрыболовство, 2000. ­ С. 21­25.