Мониторинг водных объектов с использованием надводных беспилотных систем в целях обеспечения экологической безопасности акваторий

Актуальность поднятой научной проблемы связана с проблемами значительного загрязнения водных объектов нефтепродуктами от передвижных источников загрязнения в результате судоходства [1-5].

В процессе их эксплуатации объектов водного транспорта образуются трюмные осадочные отложения - подсланевые (льяльные) воды, источником формирования и накопления которых служит дно трюма, под сланями – настилами на судне.

По результатам систематизации и обобщения нормативной и научной литературы [6-10] авторами сформирован структурированный перечень источников формирования подсланевых вод и основных факторов, влияющих на их количество и состав (таблица 1).

Таблица 1. Структурированный перечень источников формирования подсланевых вод и основных факторов, влияющих на их количество и состав

Источники формирования подсланевых вод (в процессе стоянки, движения, заправки)

Факторы, влияющие на количество и состав подсланевых вод

1 .Утечки: - из судового оборудования воды и пара, конденсата водяных паров на внутренних поверхностях корпуса; -    масел, дизельного топлива через стыки, соединения, сальники насосов, трубопроводов и арматуры, иных технических устройств судов; -    стоков при промывке машинного отделения; 2.    Спуск: - нефтеводяной смеси после промывки картеров, деталей, устройств, аппаратов судовых двигателей и иных механизмов; из отстойных и расходных цистерн топлива и масла - воды с примесью нефтепродуктов; из охлаждающих систем дизелей, опреснителей, холодильников, расширительных бачков; 3.    Пропуск воды: -    через неплотности трубопроводов, арматуры, устройств, корпуса судна; -    при эксплуатации дейдвудного устройства вала (опора гребного вала, обеспечивающая его водонепроницаемый выход из корпуса судна) 4. Сброс нефтесодержащих сточных вод, образующихся в результате различных технологических процессов мойки, промывки, обмывки на водном транспорте

а)    тип и водоизмещение судна; б)    техническое состояние водного транспорта; в)    мощность двигателя, режимы его работы; г)    конструктивные особенности энергетической установки; д)    уровень профессиональной подготовки и квалификации обслуживающего персонала; е)    нарушение правил эксплуатации, приводящее к переливам цистерн, емкостей и случайным разливам при ремонтных работах; ж)    несоблюдение норм, требований хранения и перевозки нефтепродуктов; е) умышленные действия экипажей по сбросу загрязненных нефтесодержащих стоков в водные объекты в целях избавления от образовавшихся нефтепродуктов и экономии средств на их утилизацию, предотвращения убытков судовладельцев от дополнительных расходов по внедрению процессов и установок водоочистки либо действия по небрежности, легкомыслию, нежеланию соблюдать санитарные и экологические требования

из-за процесса создания нефтяной пленки на поверхности водоема, что негативно влияет на состояние и развитие водных биологических ресурсов. Кроме того, в таких водах присутствуют хлориды, сульфаты, азот аммонийный, фосфаты, нитраты, взвешенные и органические вещества, превышающие в разной степени нормы ПДК [11-15].

При значительных масштабах сброса подобных загрязнителей в водоемы, а именно: попадании в них загрязняющих веществ в количестве более 1 т, либо превышении ПДК химических веществ и нефтепродуктов в водном объекте в 50 раз и более, данное событие, согласно установленным кри-териям1, относится к чрезвычайной ситуации техногенного характера.

Подсланевые воды после очистки сбрасываются за борт при наличии на судне сепаратора или собираются в цистерны для последующей сдачи на специальные суда на утилизацию или, при её невозможности, обезвреживание или, согласно современной терминологии, энергетической утилизации (пиролизу, высокотемпературному сжиганию на специальных объектах). Обобщение данных, имеющихся в открытом доступе [11-15] показало, что концентрации загрязняющих веществ в сбросных водах, даже после механической очистки, превышают ПДК. При этом собранные нефтепродукты после их сепарации из состава льяльных вод могут быть подвержены утилизации, а именно – регенерации, заключающейся в восстановлении полезных свойств до уровня вторичного сырья, пригодного для повторного использования в производственном процессе. Блок-схема процессов удаления и дальнейшего направления стоков разработана авторами и приведена на блок-схеме (рис.1).

Однако, ситуация с загрязнением такими водами рек и водохранилищ продолжает изменяться не в лучшую сторону. После начала движения заполняются танки для хранения нефтесодержащих вод, а вся вновь накапливающаяся в течение всего рейса загрязненная вода сбрасывается ночами в акваторию [7-9,14,16-18].

Сложная экологическая ситуация складывается в районе расположения портов грузового и пассажирского водного транспорта, местах отстоя и заправок судов. После рассвета, особенно у берегов, четко идентифицируется нефтесодержащая пле нка на значительных площадях акваторий, проис-

Очистка стоков

Сбор, накопление, обезвреживание

Утилизация

Сброс в водный объект очищенных на локальном судовом сепараторе нефтесодержащих вод с превышением предельно допустимых концентраций загрязняющих веществ

Сбор подсланевых вод в емкости-накопители на судне с последующей сдачей на обезвреживание или «энергетическую утилизацию» (сжигание в специальных установках)

Сбор подсланевых вод в емкости-накопители на судне с последующей сдачей на утилизацию (технологии регенерации отработанных нефтепродуктов -возврата в производственный цикл после соответствующей подготовки, восстановлении полезных свойств нефтепродуктов до уровня вторсырья)

Рисунок 1 – Методы удаления подсланевых вод с судов Fig. 1 – Methods for removing sub-slurry water from ships ходит загрязнение нефтепродуктами, взвешенными, органическими и поверхностно активными веществами вод и береговой полосы. Особенно опасна такая ситуация на источниках питьевого водоснабжения: водохранилищах и крупных реках, в том числе на историческом и водноресурсном достоянии России – реке Волге.

Сложность ситуации состоит в том, что установить виновника «ночного» сброса нефтесодержащих вод уже в утренние часы после рассвета представляется практически невозможным. Во-первых, нефтяная пленка перемещается по течению от источника сброса, во-вторых, сами виновники инцидента могут отплыть по маршруту на значительные территории, и, в-третьих, в условиях покрова ночи или тумана, выявить такие опасные процессы практически невозможно. С учетом вышеизложенного сформированы цель и задачи настоящего исследования, направленного на поиск методов, технологий, технических средств предотвращения загрязнений нефтепродуктами водных объектов в процессе судоходства.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Материалами для проведения исследования послужили опубликованные труды исследователей в области предотвращения транспортных аварий на водных объектах, загрязнения водоемов нефтепродуктами с судов, собственные результаты исследований авторов в области охраны водных ресурсов, обращения с опасными отходами производства и потребления, их переработки во вторичные ресурсы, экологической безопасности.

Методы исследования включают в себя системный анализ, статистическую обработку полученных в результате обобщения данных.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ОБСУЖДЕНИЕ

Учеными и специалистами ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), Ярославского и Тверского государственных университетов начата работа по поиску путей разрешения актуальной экологической проблемы, затрагивающей безопасность жизнедеятельности населения и природной среды, научными методами и способами, наилучших доступных технологий и приемлемых организационно-технических решений. В процессе поиска приемлемого научно-технического решения эффективно использован организационный и информационно-аналитический потенциал межведомственного и межсубъектного взаимодействия, ставший результатом сотрудничества в сфере научной, научно-технической, образовательной и инновационной деятельности между ВНИИ ГОЧС (ФЦ) и ведущими научно-образовательными организациями России, осуществляющими научные исследования по проблемам экологической безопасности, охраны окружающей среды, экологического мониторинга, предупреждения чрезвычайных ситуаций техногенного характера и их неблагоприятных экологических последствий.

В процессе поиска возможных решений этой актуальной экологической проблемы обобщались, систематизировались, анализировались собранные и полученные данные в области мониторинга загрязнения водных объектов, прогрессивные методы и технологии предотвращения и ликвидаций загрязнений нефтепродуктами и нефтесодержащими стоками акваторий водных объектов [1,2,5,10,19].

В целях предотвращения загрязнения водных объектов авторами работы сформирован вариант поэтапное решение актуальной проблемы предотвращения чрезвычайных ситуаций на водных объектах, связанных со сверхнормативным загрязнением акваторий нефтепродуктами. В структурированном виде алгоритм решения актуальной проблемы представлен на блок-схеме рис.2.

В результате проведенной совместной работы поступила ценная информация от ученых Тульского государственного университета. Они предложили использовать для оценки и анализа загрязнения акватории и идентификации объекта – источника сброса химических веществ и нефтепродуктов разработанные учеными университета (Р. А. Ковалевым, В. М. Панариным, А. А. Масловой и другими) малые беспилотные надводные системы мониторинга [20]. Такие комплексные системы состоят из малого беспилотного судна и базовой компьютерной информационно-аналитической системы приёма, передачи и обработки поступающей с надводного беспилотника информации в режиме он-лайн с использованием каналов передачи информации GSM, LORA, а также спутниковой связи Iridium, обеспечивающей 100 % покрытие Земли.

Сверхнормативное загрязнение водных обнятое, приводящее к возникновению УС и их неблагоприятных экологических последствий

Особенно опасна такая ситуация на источниках пи-ьевого водоснабжения: водохранилищах и крупных реках, а частности, на истерическом и водно-ресурсном достоянии России • реке Волге (тельковЯрославской области фиксируется в навигацию 12-15 инцидентов со сбросом нефтепродуктов!

I4i

ПРЕДОТВРАЩЕНИЕ ОПАСНОСТИ

В ИСТОЧНИКЕ ЕЕ ЗАРОЖДЕНИЯ (предупреидагие образовав иегечкикэ опасности, либо 'отвращение его

ф помощь

Разработка мучим методов к технологий предупреждения возможны чрезвычайных ситуаций на внутренних водных объектах, вызванных их сверхнормативным загрязнением химическими веществами и нефтепродуктами пассажирским и грузовым водным транспортом

Разработка цифровой геоинформационной системы мониторинга состояния водных объектов и их загрязнения с построением полей загрязнения и функцией обнаружения источников, видов и объемов несанкционированных сбросов с применением малого беспилотного надводного судна

Постановка швальной проблемы

Стратеги решения проблемы

Предлагаемая технолога Пуп н направленна мониторинга н моделирования разрешения проблемы состояния загрязнения водоемов

Рисунок 2 – Поэтапное решение актуальной проблемы предотвращения чрезвычайных ситуаций на водных объектах, связанных со сверхнормативным загрязнением акваторий нефтепродуктами Fig. 2 - A step-by-step solution to the urgent problem of preventing emergencies on water bodies caused by excessive oil pollution of water areas

В мае 2024 года по приглашению ученых Тульского государственного университета состоялось научно-техническое совещание в университете с участием ученых ВНИИ ГОЧС. Были продемонстрированы существующие и потенциальные возможности малого надводного беспилотного судна на водном объекте (рис.3). Оно представляет собой автономное техническое средство с электрическим двигателем и герметичным пластиковым корпусом. Его длина достигает 1,2 метра, вес – около 50 кг, скорость до 1,1 м в секунду. Количество электродвигателей 2 шт. АБК 12В, 75 А-ч. Работа технического средства осуществляется в автономном режиме. На малое техническое транспортное средство возможно установить дополнительное оборудование и обеспечить интеграцию с различными системами мониторинга.

На данный момент на судне устанавливаются заборные устройства для отбора проб – две герметичные колбы для доставки воды на лабораторное исследование с возможностью расширения до 20 микрорезервуаров при соответствующей доработке.

При заинтересованности заказчика по использованию надводного беспилотника потенциально возможно его оснащение различными техническими устройствами: датчиком обнаружения наличия нефтепродуктов для контроля загрязнения акваторий и поиска источника загрязнения, эхолотом для обследования русел рек и оценки состояния дна, оснащение фото- и видеокамерами надводной и подводной съемки.

На научно-техническом совещании были проработаны вопросы его применения для решения задач мониторинга загрязнения водоемов и идентификации источников сбрасываемых химических веществ и нефтепродуктов. Учеными сформирован научно-практический замысел создания комплексной информационно-аналитической системы мониторинга. В соответствии с ним малое

Рисунок 3 – Малое беспилотное судно на водоеме Fig. 3 – Small unmanned vessel on a body of water беспилотное судно может быть эффективно использовано во многих областях исследования и выполнять следующие задачи без участия человека при соответствующей доработке и оснащении необходимыми сенсорами: обследование причальных стенок, обследование русел рек на малых глубинах, осуществление контроля за отсутствием рыболовных сетей, оценки состояния дна, надводных и подводных коммуникаций и, конечно, обнаружение утечек нефтепродуктов и ряда химических веществ, мониторинг загрязнения акватории водоемов.

В формате организации комплексной информационной системы мониторинга загрязнения водных объектов малое беспилотное надводное судно являет собой один из элементов цифровой геоинформационной системы мониторинга состояния водных объектов и загрязнения различными химическими соединениями, нефтепродуктами с построением полей загрязнения и функцией обнаружения источников, видов и объемов несанкционированных сбросов. Фиксирование точек нахождения и проведения исследования проводится с помощью GPS, ГЛОНАСС, а результаты исследований после передачи данных отображаются на базовом компьютере с последующей обработкой на специальных программах.

Основное отличие малого беспилотного надводного судна – работа в цифровой геоинформа-ционной системе, которая в настоящее время разрабатывается специалистами Тульского государственного университета совместно с ООО «СервисСофт Инжиниринг ТулГУ».

Доработка функциональных возможностей малого беспилотного судна и ГИС до требований заказчика проводится по техническому заданию в рамках проведения НИиОКР.

В целях полноценного и качественного решения задачи мониторинга и предотвращения возможных чрезвычайных ситуаций на водных объектах, связанных с их сверхнормативным загрязнением нефтепродуктами необходима доработка комплексной геоинформационной системы в рамках выполнения научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ с разработчикам системы по следующим направлениям:

• -    подбор и оснащение судна датчиками оценки толщины нефтяной пленки;

• -    оборудование судна ультразвуковыми датчиками определения расстояния до подвижных и неподвижных объектов (водного транспорта и других), оценки их габаритов (длина, ширина, высота);

• -    системы оценки смещения нефтяного пятна по акватории с учетом гидрологических и метеорологических показателей;

• -    система анализа концентрации в автоматическом режиме он-лайн;

• -    беспроводная система отражения вышеуказанных показателей он-лайн на электронной карте акватории (в том числе с учетом фиксации полученных данных мониторинга по опорным точкам).

ВЫВОДЫ

В настоящей работе нашли предварительное решение актуальные проблемы предупреждения чрезвычайных ситуаций техногенного характера, связанные с загрязнением водных объектов нефтепродуктами и химическими веществами, обусловленные сбросами подсланевых вод с передвижных объектов водного транспорта.

Результаты исследований доложены на Круглом столе «Совершенствование мониторинга и прогнозирования чрезвычайных ситуаций на территории Российской Федерации» в рамках деловой програм- мы XV Международного салона средств обеспечения безопасности «Комплексная безопасность-2024», Международной научно-практической конференции «Государственная политика в области обеспечения безопасности в Арктической зоне Российской Федерации» в рамках деловой программы учений сил и средств РСЧС «Безопасная Арктика - 2025» и вызвали большой интерес со стороны МЧС России, её территориальных подразделений, природоохранных органов, научного сообщества.

Апробация и адаптация предлагаемой системы мониторинга загрязнения водных объектов будет осуществлена в ряде регионов Центрального федерального округа.