Admin

Использование геоинформационных систем при мониторинге диффузных загрязнений железных дорог

КОНОН Н.И., АНО «ЦЕНТР-ВОЛГА», докт. техн, наук

Аннотация. Представлено исследование программного обеспечения существующих геоинформационных систем (ГИС), которые могут уже сегодня использоваться для мониторинга источников диффузного загрязнения железных дорог. Показано, что использование специализированной ГИС позволяет автоматизировать процесс контроля источников загрязнения.
Ключевые слова: российские железные дороги, диффузные загрязнения, мониторинг источников диффузного загрязнения, геоин-формационные системы, геопространственная информация, материалы дистанционного зондирования, цифровые карты, цифровые трехмерные модели.

Одно из приоритетных направлений деятельности железнодорожной отрасли России — обеспечение прав граждан на благоприятную окружающую среду, что закреплено в стратегии развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 г. [1]. В связи с этим поиск вариантов эффективного использования ресурсов и снижения антропогенного воздействия железнодорожного транспорта на окружающую среду является одной из важнейших задач ОАО «РЖД».
Реализация комплексного многоуровневого проекта «Восстановление и поддержание природного экологического баланса бассейна реки Волга» отвечает возросшему уровню потенциальных угроз в области экологической безопасности. Данный проект охватывает 41 субъект РФ на территории 38 регионов бассейна Волги на площади 3690000 км2, в котором проживают более 60 % населения (96 млн), находится 45 % промышленности и 50 % сельского хозяйства РФ.
Железнодорожная сеть на территории бассейна Волги выполняет важнейшие функции как внутри регионов и страны в целом, так и в организации международных транзитных перевозок. Однако она же одновременно является одним из источников загрязнения атмосферы, водных объектов и почвы бассейна. Все основные магистрали электрифицированы, но на второстепенных региональных путях Поволжья до настоящего времени эксплуатируются дизельные тепловозы, которые также широко используются на станциях при выполнении маневровой работы.
Виды загрязнений, производимых железнодорожным транспортом. Все загрязнения можно разделить на два вида, как исходящие от подвижной и стационарной инфраструктуры. Стационарная инфраструктура включает собственно путевое хозяйство (рельсы,
шпалы, балласт, земляное полотно, искусственные сооружения), остановочные пункты, станции и вокзалы, а также платформенные, станционные и вокзальные сооружения, ремонтные депо и другие объекты. Подвижная инфраструктура включает не только локомотивы, грузовые и пассажирские вагоны, но и перевозимые грузы и пассажиров, которые выступают как источники загрязнений. Каждый элемент этих инфраструктур в процессе функционирования создает различные загрязнения, которые оказывают негативное влияние на окружающую среду.

Самые характерные загрязнители, порождаемые железнодорожной инфраструктурой, — сажа, оксиды углерода, сера и азот, углеводороды, свинец. Накопление этих веществ в воздухе приводит к значительному ущербу для растительности (кислотные дожди), а также для здоровья человека (смог). Выбросы от дизельных локомотивов провоцируют появление тяжелых металлов, полициклического ароматического углерода (ПАУ) и гербицидов в почве вблизи железных дорог. При этом биологическое разложение ПАУ и гербицидов чрезвычайно низкое и может длиться десятилетиями.
Ввиду того, что на современном этапе наблюдается тенденция увеличения перевозок нефти и нефтепродуктов (НПП) именно железнодорожным транспортом, возрастают риски обращения с опасными грузами, в том числе в бассейне Волги [2]. Следует отметить, что российские железные дороги занимают одно из лидирующих мест по количеству инцидентов, связанных с перевозкой опасных грузов. В настоящее время по данным статистики [2] свыше 90 % от общего количества происшествий связано с перемещением ННП, которые в соответствии с международными требованиями классификации веществ по характеру опасных свойств относятся к третьему классу — легковоспламеняющиеся жидкости [3].
Немаловажным источником диффузных загрязнений на железной дороге является истирание элементов подвижного состава (прежде всего колес и тормозных колодок) и верхнего строения пути (главным образом рельсов), которое порождает металлическую пыль (продукт износа), выбрасываемую в атмосферный воздух и оседающую на прилегающей территории, в том числе и водных объектах.
Другими источниками загрязнения воды и почвы являются гербициды и пестициды, применяемые на железнодорожных путях гораздо шире, чем в сельском хозяйстве. Многие гербициды, используемые для угнетения растительности на полотне и вблизи него, смертельны для большей части водной фауны, особенно для популяций рыб.
Таким образом, железнодорожная инфраструктура вносит свой негативный вклад в загрязнение водных экосистем. Высокие концентрации ПАУ и тяжелых металлов часто обнаруживают в водных артериях, граничащих со стальными магистралями.
Диффузные загрязнения, вызываемые эксплуатацией железных дорог, не менее опасны, чем загрязнения твердыми коммунальными отходами, промышленными и хозяйственно-бытовыми стоками. По этой причине непрерывный контроль источников диффузных загрязнений является одной из актуальных задач.

Существующие методы контроля источников загрязнений. Прежде всего определимся, что точечными (стационарными) источниками загрязнений являются коммунальные, бытовые и промышленные стоки и загрязнения, поступающие со стационарных железнодорожных объектов. Отдельные разбросанные строения на территории станции или депо представляют собой рассеянные источники. Источники диффузных поступлений загрязняющих веществ определяются как не учитываемые в качестве точечных и рассеянных. К ним относятся магистральные пути, мосты через водные преграды, путепроводы и др. Сами по себе они не производят загрязнений, но по ним следуют грузовые и пассажирские поезда, которые можно рассматривать как линейные диффузные источники.
Заметим, что методы контроля стационарных источников загрязнений на сегодня изучены достаточно широко. В РФ отработана процедура мониторинга, закрепленная соответствующими нормативно-правовыми актами, стандартами и положениями, а также развитой сетью станций наблюдения [5—8]. В настоящее время экологический мониторинг стационарных источников загрязнений выполняется производственными (отделенческими) экологическими лабораториями [9]. Они осуществляют свою работу во взаимодействии с отделами, секторами и дорожными инспекторами охраны окружающей среды управлений железных дорог, а также с федеральными природоохранными органами.
Однако следует учитывать, что хорошо оснащенные отделенческие экологические лаборатории имеются далеко не везде, и мониторинг источников диффузных загрязнений целесообразно проводить с помощью экологических аналитических лабораторий,
размещенных на передвижных средствах. Как правило, для этого используют вагоны, переоборудованные под передвижную экологическую аналитическую лабораторию с измерительно-вычислительным комплексом на борту. Учитывая сложность химического анализа в условиях экспедиции, часть проб консервируют и доставляют в отделенческую лабораторию, аналитическое оборудование которой дополняет приборную базу передвижного измерительно-вычислительного экологического комплекса и расширяет его функциональные возможности. Вместе с тем исследованию методов контроля источников линейных диффузных загрязнений на дорогах уделяется недостаточное внимание ввиду их сложности и трудоемкости. По этой причине отдельной системы наблюдения за ними в России не существует. Фактически исследования источников диффузных загрязнений выполняют косвенным способом с использованием системы мониторинга за точечными источниками.
Каждый источник диффузных загрязнений имеет свою особенность физико-химического характера. Количество загрязняющих веществ может быть оценено либо как сумма всех поступлений (из всех источников по всем путям доставки) за минусом массы загрязнений, учтенных в качестве поступивших от организованных источников (массовый метод), либо посредством количественной оценки каждого отдельного источника. Такой подход пытаются использовать на практике, но он является приближенным, так как в настоящее время четкой границы в нормативноправовой документации между типами загрязнений (точечных, рассеянных и диффузных) не существует.
На железной дороге более точным методом контроля за источниками диффузных загрязнений является взятие проб для аналитических исследований в условиях лаборатории. Пробы должны отбирать отделенческие лаборатории (экологические вагоны-лаборатории и лаборатории на автомобильном ходу), а также пункты экологического контроля (ПЭК) тепловозов и путевой техники. Это относится к талым водам, стокам с промышленных площадок, депо и баз ПМС.
Несмотря на то что лабораторный анализ с использованием специализированной аппаратуры дает очень точные результаты, такой метод имеет ряд недостатков, и, прежде всего, он очень трудоемок, так как требует привлечения людских и временных ресурсов при взятии проб. Трудности автоматизации получения проб и дальнейших лабораторных исследований значительно сокращают их объемы и периодичность. Фактически отбор проб превращается в затяжной процесс, который не позволяет своевременно обнаружить возникновение источника диффузных загрязнений.
Поэтому на железных дорогах наиболее перспективны автоматизированные дистанционные методы, которые позволяют не только определить факт появления источника диффузных загрязнений и его основные физико-химические характеристики, но и при дальнейшем моделировании распространения загрязнения выполнить прогнозирование возможного ущерба и спланировать ликвидацию его последствий.


Мониторинг источников диффузных загрязнений с помощью ГИС. Использование современных геоин-формационных и навигационных технологий с применением систем дистанционного зондирования кардинально меняет принцип мониторинга источников диффузного загрязнения на железных дорогах. При изучении местности по цифровым картам и моделям мелкого масштаба с использованием специализированной ГИС можно наметить в первом приближении наиболее опасные участки трассы, где диффузные загрязнения непосредственно с насыпи попадают в водный объект.
Например, на этапе планирования перевозок нефтепродуктов имеется возможность моделировать масштабы их разливов при сходах подвижного состава, качественно прогнозируя последствия с помощью интегрирования различных тематических данных (ландшафтная топография местности, гидрографические и геологические условия, наличие значимых искусственных сооружений, сельскохозяйственных и промышленных объектов, степень населенности и т.д.) Кроме этого, вся указанная информация может интегрироваться с материалами дистанционного зондирования местности, что обеспечивает более качественное моделирование и прогнозирование диффузного загрязнения водных объектов.

Одним из существенных преимуществ геоинфор-мационного планирования железнодорожных перевозок с целью уменьшения диффузных загрязнений несомненно является трехмерное моделирование. С его помощью строится измерительная трехмерная визуализированная модель территории, на которой проектировщик может видеть реалистическое изображение перемещения загрязнений на местности и рассчитать возможные основные точки их поступления в экосистему без выполнения полевых работ.
Следует отметить, что в настоящее время, несмотря на наличие большого количества геоинформаци-онных систем и продуктов, специализированной ГИС, предназначенной исключительно для мониторинга источников диффузных загрязнений железных дорог, не разработано. Однако анализ функциональных возможностей существующих ГИС показывает, что среди них имеются аппаратно-программные продукты, которые уже сегодня можно использовать для автоматизации мониторинга отдельных источников диффузного загрязнения в железнодорожной сфере. В этом контексте представляет интерес геоинформаци-онная система экологического мониторинга ECOGIS, разработанная компанией Radix-Tools на базе профессиональной ГИС «Панорама». ECOGIS предназначена для решения задач контроля экологических характеристик региона [10].
Из отечественных разработок можно выделить ГИС для экологического мониторинга NextGIS [11], с помощью которой можно на основе сбора параметров окружающей среды создавать необходимые карты разной тематики с последующей актуализацией данных и отслеживанием динамики и масштабов происходящих изменений. При этом обеспечивается возможность быстро и качественно анализировать результаты мониторинга с применением методов вре
менного и пространственного анализов, позволяющих отслеживать появление неочевидных зависимостей. Результатом такой работы становится комплексная характеристика территории с учетом безопасности проживания на ней человека. И, наконец, регулярное отслеживание экологических параметров позволяет выявлять изменения, сопоставлять сопровождающие их процессы и прогнозировать развитие ситуации в будущем. В числе важных возможностей — моделирование влияния постоянно действующего загрязнения и экологических катастроф, носящих природный или техногенный характер.
Исследование стационарных источников диффузного загрязнения позволяет экологическая ГИС «ЭкоГИС», составная часть экологического программного комплекса «РОСА» [12]. Особенностью данной ГИС является возможность учета возможных диффузных загрязнений при проектировании именно железнодорожных объектов.

Как показывает анализ статистики, неспециализированные системы контроля не всегда обеспечивают качественный и своевременный мониторинг накопления диффузных загрязнений на железных дорогах. Выполненный автором предварительный расчет доказывает, что в этих случаях более эффективна автоматизированная система непрерывного контроля экологического состояния железных дорог в бассейне Волги, разработанная в АНО «ЦЕНТР-ВОЛГА». Для этого, прежде всего, необходимо внедрение специализированных датчиков измерения объема, количественных и качественных характеристик диффузных загрязнений и их источников.
Сравнивая существующие методы мониторинга источников диффузных загрязнений, можно видеть, что способ их оценки по измерительной трехмерной модели обладает наибольшими преимуществами, так как в ней траектории движения диффузных загрязнений представлены в виде пространственных кривых с учетом всех видимых при этом условий местности. Такой мониторинг максимально использует возможности геоинформационных технологий и моделирования.
Конспективно интерактивная технологическая схема определения диффузных загрязнений имеет следующий алгоритм.
На первом этапе с использованием ГИС строится измерительная трехмерная модель пути с характеристиками, требуемыми для моделирования. После этого выполняется геопространственная привязка автоматических датчиков контроля источников диффузного загрязнения с уточнением их положения на железнодорожном полотне и прилегающей территории с учетом ее ландшафта и возможных направлений распространения загрязнений от источников в водные объекты или пониженные складки местности.
Затем при поступлении информации с автоматических датчиков о загрязнении на трехмерной модели местности выполняется предварительный расчет возможных траекторий движения загрязнения в водный объект и предварительная оценка ожидаемого экологического ущерба. При этом на основе строгих аналитических зависимостей распространения загрязнения определяется его интенсивность и продолжительность в конкретных местных условиях.
На заключительном этапе трехмерного моделирования и прогнозирования формируются необходимые документы для принятия решений.

Описанный процесс мониторинга источников диффузного загрязнения по трехмерным моделям выполняется с использованием интегрированных в ГИС сведений, поступающих с автоматических датчиков измерения экологических параметров, дистанционного, геологического, гидрологического зондирования земли и других геопространственных данных. Поскольку работа с трехмерной моделью не требует никакого специального ориентирования и привязки интегрированных данных, ее использование для мониторинга источников диффузного загрязнения упрощает и ускоряет технологический процесс, а также значительно сокращает сроки подготовки исходной информации для принятия решения по ликвидации последствий загрязнения.
Следует подчеркнуть, что по мере поступления данных с автоматических датчиков в режиме реального времени можно строить прогноз диффузных загрязнений водных объектов или поверхности земли, который используется для расчета предполагаемого экологического ущерба с учетом климатических и сезонных особенностей территории региона, по которой проходит железнодорожная магистраль.
Рассмотренная технологическая схема мониторинга источников диффузных загрязнений практически совпадает с развивающейся сегодня новой технологией, называемой ландшафтным экологическим мониторингом, которая предусматривает минимизацию влияния железной дороги на ландшафт местности. В настоящее время методы ландшафтного мониторинга железных дорог находятся еще в стадии разработки, но применение геоинформационных технологий в целом позволяет реализовать указанные методы без особых усилий. Основной задачей, решаемой при ландшафтном экологическом мониторинге, является непрерывный контроль влияния железной дороги на элементы и ландшафт в целом, исходя из топографических, гидрологических, инженерно-геологических, экологических, природных и ситуационных условий местности.

Вывод

Использование геоинформационных систем при мониторинге источников диффузных загрязнений железных дорог позволяет разработать новые технологии, которые на основе интегрирования геопростран
ственной информации позволяют существенно уменьшить негативное влияние железнодорожных дорог на окружающую среду. При этом качество мониторинга и экономические показатели значительно возрастают, в том числе нивелируется негативное влияние подвижного состава и в целом повышается экологическая безопасность района.

Список источников

1. Экологическая стратегия ОАО «РЖД» на период до 2020 года и перспективу до 2030 года: утв. Распоряжением ОАО «РЖД» от 22.06.2016 № 1227р // Российские железные дороги: официальный сайт. 2016. URL: https://company.rzd. ru/ru/9353/page/ 105104?id=958.
2. Семина И.А., Фоломейкина Л.Н. Развитие сети железных дорог на территории Приволжского федерального округа // Научное обозрение. Международный научно-практический журнал. 2021. № 6. URL: https//srjournal.ru/2021/id340/.
3. Правила перевозок опасных грузов по железным дорогам: утв. СЖТ СНГ, протокол от 05.04.1996 № 15 (в ред. от 07.05.2014). Доступ через СПС КонсультантПлюс. URL: http://www.consultant.ru/ document/cons_doc_LAW_165489/.
4. Водный кодекс Российской Федерации: Федеральный закон от 3 июня 2006 г. № 74-ФЗ (в ред. от 13.06.2023). Доступ через СПС Гарант Эксперт.
5. Об охране окружающей среды: Федеральный закон от 10 января 2002 г. № 7-ФЗ (в ред. от 30.05.2023). Доступ через СПС Гарант Эксперт.
6. О государственном экологическом мониторинге (государственном мониторинге окружающей среды) и государственном фонде данных государственного экологического мониторинга (государственного мониторинга окружающей среды): Постановление Правительства РФ от 9 августа 2013 г. № 681 (в ред. от 30 ноября 2018 г.). Доступ через СПС Гарант Эксперт.
7. Об осуществлении государственного мониторинга состояния и загрязнения окружающей среды: Постановление Правительства РФ от 6 июня 2013 г. № 477 (в ред. 03.08.2020). Доступ через СПС Гарант Эксперт.
8. Об утверждении Положения об осуществлении государственного мониторинга водных объектов: Постановление Правительства РФ от 10 апреля 2007 г. № 219 (в ред. от 18 апреля 2014 г.). Доступ через СПС Гарант Эксперт.
9. Финоченко В.А. Экологический мониторинг на Российских железных дорогах // Фундаментальные исследования. 2004. № 6. С. 92—92. URL: https://fundamental-research.ru/ru/ article/view?id =6317.
10. Программное изделие ГИС «Экологический мониторинг и аналитика» Руководство пользователя ПАРЕ.00143-01 93 01. М.: КБ «Панорама», 2013. 48 л. URL: https:// gistoolkit.ru/download/doc/ ecomonuserdoc.pdf (дата обращения: 25.05.2023).
11. ГИС для экологического мониторинга // NextGIS : сайт. URL:https://nextgis.ru/gis-po-otraslyam/gis-dlya-hkologicheskogo-monitoringaCaaTa обращения: 25.05.2023).
12. Экологическая ГИС // ЭКОЛИДА: сайт. URL: https://ecolida.ru/epk-rosa/ekologicheskaya-gis (дата обращения: 25.05.2023).