Возможность обнаружения тепловой съемкой несанкционированных 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 на территориях интенсивной промышленной застройки. Как показывает опыт многолетних работ ГНПП "Аэрогеофизика" в Москве, практически все сбросы находят отражение в тепловом поле. При этом на величину регистрируемого контраста влияет перепад между термодинамическими температурами фоновых и сбрасываемых вод. Однако, даже при равенстве этих параметров регистрируется слабоконтрастная тепловая аномалия, обусловленная турбулентностью сбрасываемого потока. Образующиеся буруны и пена обладают высоким коэффициентом излучения, практически равным единице. Поэтому принципиально возможно возникновение регистрируемого контраста даже при сбросе чистой воды с фоновой температурой, однако контраст в этом случае весьма мал. Отмечаются сбросы не только с положительным, но и с отрицательным температурным контрастом. Как правило, последние наблюдаются у сбросов из городских дренажных систем. Во всех случаях размер наблюдаемых аномалий зависит от дебита источников сброса.
Сброс промышленных стоков в р. Москва, апрель 1997г.
Сброс промышленных стоков в водоем, г. Москва, март 2004 г.
Сбросы техногенных вод в р. Москву, апрель 2008г. На левом берегу - зарегистрированный (каптированный) выпуск.
На правом берегу - два незарегистрированных малодебитных выпуска (0,2 л/сек).
В ходе проводившихся исследований было установлено, что для такой крупной промышленной агломерации, как Москва, более 90 % всех промышленных и коммунальных сбросов в реки и водоемы на территории города являются тепловыми, причём подавляющее их большинство обладает значительным температурным контрастом. Например, сбросы из охладителей ТЭЦ отличаются превышением над фоновой температурой речной воды до 30°. Тепловой профиль вдоль створа р. Москвы показал увеличение температуры воды в реке в черте города на 2-3 град. за счет сбросовых вод. Наиболее значительные по объему и масштабам загрязнения области пространственно приурочены к местам слияния Москвы-реки с более мелкими естественными водотоками (реки Яуза, Сетунь, Сходня и др.). Весьма контрастные и объемные сбросы коммунальных и промышленных вод наблюдаются в районах размещения крупных действующих промышленных предприятий (ЗИЛ в районе Нагатинского затона, Курья-новская станция аэрации в районе Люблино, ЖБК в Мневниках и т.п.). Достаточно час-то наблюдаются малодебитные стоки, которые с большой степенью вероятности могут быть связаны с подтеканием и дренажем коммунальных вод из городских систем тепло- и водоснабжения..
Выявляя выпуски сбросовых вод, тепловая инфракрасная аэросъемка прежде всего позволяет локализовать места измерений температурного режима и химического состава выявленных стоков, то есть в комплексе с информацией наземных измерений и гидрохимических анализов является основой для принятия управленческих решений по существенному уменьшению воздействия загрязненных сточных вод на гидросеть контролируемых территорий.Среди объектов наблюдения дистанционного теплового мониторинга с преобладанием конвективной теплопередачи к излучающей поверхности следует выделить субаквальные тепловые сбросы. Объектов такого вида немного. Обычно они представляют собой незарегистрированные контролирующими органами скрытые сбросы загрязнений. Субповерхностное расположение сброса затрудняет их визуальное обнаружение, поэтому задача дистанционного выявления таких объектов по их проявлению в тепловом поле весьма актуальна. Отличительной чертой в формировании теплового поля субаквального сброса является существенная зависимость интенсивности и размеров регистрируемой аномалии от глубины расположения подводящего канала.
Как показали исследования на водных объектах г. Москвы около 25% выпусков, обнаруженных с помощью тепловой съемки, официально не зарегистрированы. В некоторых случаях по характеру тепловой аномалии было установлено, что через выпуск, зарегистрированный как ливневой сток, осуществляется сброс техногенных вод, что нашло подтверждение при гидрохимическом анализе отобранных проб. По набору компонентов был определен и "автор" сброса - автотранспортное предприятие.
Не менее уникальны возможности ИК аэросъемки при поиске зон субаквальной разгрузки из верхних бьефов водохранилищ и зон субаквального выноса подземных пресных вод в море. Такие работы мы выполняли в 1982г. на Черноморском побережье Грузии, в 1986г. на озере Балхаш и др.
Различия в составе и состоянии водной поверхности обусловливают существование различий в теплофизических свойствах и отражательной способности, за счет чего в большинстве случаев формируется визуальный температурный контраст, позволяющий фиксировать некоторые виды промышленных сбросов загрязнений в поверхностные воды. На р. Москве в пределах центральной части города экспериментальной тепловой съемкой было выделено более десятка таких объектов, связанных с химическим загрязнением водной среды. При этом собственно разница температур этих объектов и фона либо отсутствовала, либо была существенно ниже порога чувствительности измерительной аппаратуры (менее 0.1°)
Также с высокой эффективностью, пожалуй не имеющей аналогов, ИК аэросъемка позволяет осуществлять поиск пятен нефтяного загрязнения акваторий в зонах активного движения танкеров и возможного сброса балластных вод, в районах крупных портов или в случаях аварий и катастроф, сопровождающихся изливом нефтепродуктов. В отличие от визуальных методов картирования таких загрязнений, тепловая съемка выделяет микронные по толщине пленки, то есть очень слабые загрязнения. В случае нефтяных загрязнений тепловые контрасты обуславливаются экранированием пленочным загрязнением и, как следствие, уменьшением скорости испарения с поверхности воды, снижением излучательной способности из-за более высокого альбедо отражающей поверхности в дальнем ИК диапазоне (в 4-5 раз), более низкой теплопроводностью (в 3-6 раз) и теплоемкостью (в 1.5-2.5 раза) нефти и нефтепродуктов по сравнению с чистой водой. Влияние всех этих факторов определяет возникновение температурного контраста между поверхностью воды и нефти (днем 1° -2°С, а ночю от 0.5° до 1°С ).
В зонах аридного климата актуальны задачи по выявлению мест утечек, в том числе локальных, из оросительных систем и наземных водонесущих коммуникций. В местах утечек регистрируются отрицательные ("холодные") аномалии дневного теплового поля и положительные ночью.
В свете решения задач охраны окружающей среды большой интерес представляет контроль состояния накопителей жидких промышленных отходов, как правило, весьма токсичных. ИК съемка позволяет обнаружить утечки из накопителей на стадии их зарождения, предупреждая тем самым тяжелые экологические последствия. В случае утечек из накопителей жидких отходов формирование контраста происходит не столь однозначно. Распространяющиеся загрязнения в значительной степени влияют на оптические свойства поверхности, изменяя ее отражательную и излучательную способность. Причем влияние этих изменений сопоставимо с влиянием изменений тепловой инерции за счет увлажнения грунтов. Поэтому у данных объектов наблюдаются как постоянные, так и знакопеременные аномалии (последние - чаще).
Пример выявления утечки из пруда – отстойника. Спектральный диапазон 8-14 мкм, лето, ночь.
1 – пруд-отстойник; 2 – место поступления отработанных технических вод; 3 – дамба;
4 – локальный участок просачивания в подошве дамбы; 5 – русло речки.
Широкий круг задач по контролю состояния водных объектов в пределах городских территорий может решаться попутно при ИК съемке городских тепловых сетей, хотя, разумеется, наилучшие результаты получаются при специализированных ночных съемках с настройкой тепловизионной аппаратуры исключительно на воду.
