Донная информационно-измерительная система определения способности водоёмов к самоочищению

Актуальность темы

.

С середины ХХ-го столетия человечество впервые стало осознавать серьезность возникших экологических проблем и хрупкость самого существования жизни на планете. Хозяйственная деятельность человека ведет к загрязнению окружающей среды вредными для всего живого веществами. Особо остро стоит проблема загрязнения природных вод поверхностных водоемов.

Постоянное, интенсивное антропогенное воздействие привело к резкому ухудшению экологического состояния водоемов. В России, крупнейшей по территории стране и обладающей одним из самых высоких водных потенциалов в мире, около 70% водных объектов суши не соответствуют ГОСТу Р 51 232−98 «Вода питьевая» [4] и, соответственно, утратили свои качества как источника питьевого водоснабжения ввиду их загрязнения.

Основными источниками загрязнений являются различные промышленные предприятия.

На сегодняшний день скорость увеличения вредного воздействия на акватории и интенсивность его влияния уже выходит за пределы биологической приспособляемости водной экосистемы к изменениям среды обитания и создает прямую угрозу гибели водоёма в целом.

В сложившейся ситуации наибольшее внимание к себе привлекли так называемые «техногенные» водоёмы, находящиеся в промышленной зоне предприятий и на близлежащих территориях, которые прямо (утилизация отходов, сброс сточных вод) или косвенно (аварии, утечки, прорывы трубопроводов) подвергаются вредному загрязняющему воздействию. В России имеется большое количество таких водных объектов, что сформировало необходимость контролировать, отслеживать и своевременно ликвидировать источники загрязнения и их последствия с дальнейшим наложением санкций на виновных. Особое внимание к себе привлекают такие водные объекты, как малые водохранилища, пруды и озера.

Необходима оценка экологического состояния «техногенных» водоёмов, ответственность за которые полностью лежит на предприятиях их загрязняющие. Данная оценка необходима для принятия определенных мер в отношении указанных водоёмов. Следуя мировой практике, «техногенные» водоёмы могут быть подвержены рекультиваций (уничтожению, захоронению), полной или частичной очистке, а также могут быть уменьшены объёмы сбросов или вовсе прекращены. При выборе любого из предложенных способов необходимо оценивать и экономические последствия, и материальные затраты на их реализацию. Например, мероприятия по восстановлению водоёма являются дорогостоящими и длительными. Поэтому необходим поиск компромиссного решения, принятие которого должно основываться, прежде всего, на сведениях об экологическом состоянии самого водоёма и тенденции его изменения, что позволит решить проблему с наименьшим ущербом для природы и с наименьшими затратами средств и времени.

Также сведения об экологических перспективах водоёма необходимы для формирования в его отношении ценовой политики, которая будет зависеть не только от ставок, установленных федеральными и муниципальными уровнями власти, но и от возможности дальнейшего использования водного объекта в различных целях, что вызвано возможностью передачи водоёма в руки юридического или частного лица на основе товарно-рыночных отношений в связи с принятием 1 января 2007 года нового Водного кодекса РФ.

Решение этой проблемы неразрывно связано с необходимостью перспективного прогнозирования. Возникла необходимость преобразования современной системы контроля качества вод в экологический мониторинг, позволяющий оценивать и выявлять тенденции в изменении состояния водоёма. Существующие на сегодня методы оценивания экологического состояния водоёма (определение ПДК, биомониторинг) дают представление лишь о его физико-химическом и биологическом состоянии на данный момент.

Известно, что любая водная экосистема способна до некоторого предела противостоять антропогенной нагрузке, используя свою способность самоочищаться. Оценивание способности водоёма к естественному самоочищению делает прогнозирование возможным, т.к. данная способность характеризует динамику всех протекающих в водоёме процессов.

При определении способности водоёма к самоочищению необходимо оценивать способность к самоочищению его донного осадка. Донный осадок, являясь последним звеном в сложной цепи естественной очистки, служит последним рубежом защиты водоёма от негативного воздействия всех поступающих в него загрязнителей. Способность донного осадка к самоочищению обусловлена способностью осадка к окислению, поглощению и разбавлению всех поступающих в него веществ. Интенсивность процессов самоочищения в верхнем слое донного осадка отображает интенсивность очистки водоёма в целом.

Однако до настоящего времени не существует методов построения и структур систем, позволяющих определять способность водоёма к самоочищению.

В связи с этим разработка информационно-измерительной системы, которая позволяет без взятия пробы проводить анализ состояния донного осадка с целью определения способности водоёма к самоочищению (СВС), является актуальной задачей, решение которой даст нам первый опыт в понимании и оценивании перспектив того или иного водоёма.

1.2 Цель работы.

Целью диссертационной работы является разработка и исследование методов оценки способности водоёма к самоочищению и создание донной информационно-измерительной системы (ИИС) определения способности водоёма к самоочищению, позволяющей оперативно проводить прогнозное оценивание состояния водных экосистем.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. проведён анализ способности водоёма к самоочищению, негативного влияния на неё загрязнений, антропогенного происхождения, и методов экологического мониторинга водных объектов, расположенных на территории РФ, с целью выявления чувствительного критерия оценки, позволяющего реализовать перспективное прогнозирование состояния «техногенных» водоемов и выработки требований к методу измерения, структуре и конструкции разрабатываемой ИИС;

2. на основании требований и критериев проведёно исследование методов определения способности экосистемы водного объекта к самоочищению с целью выбора метода, позволяющего реализовать оперативную оценку способности к самоочищению непосредственно в водоёме;

3. проведён анализ методической погрешности метода? А-метрии;

4. разработана модель способности водной экосистемы к самоочищению и на её основе разработана методика определения способности водоема к самоочищению;

5. синтезирована структура донной ИИС определения способности водоёма к самоочищению, разработаны и исследованы её измерительные каналы, исследованы методические и аппаратурные погрешности измерительной системы;

6. разработана оригинальная конструкция погружаемого модуля (зонда) донной измерительной системы с применением современных комплектующих вычислительной и измерительной техники.

1.3 Методы исследований.

При решении поставленных задач использовались методы теории функционирования водных экосистем, гидробиологического и гидрохимического мониторинга, электроаналитической химии, теории электрических цепей, теории погрешностей результатов измерений, теория автоматического управления. Для подтверждения результатов теоретического анализа использовались методы экспериментального исследования и моделирования.

1.4 Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1. Предложена концепция прогнозирования состояния водоёма на основании его способности к естественному самоочищению, которая в отличие от существующих позволяет выявить тенденцию изменения экологического состояния водной среды под действием уже накопившегося уровня загрязнения, используя экстраполя ционный подход.

2. Предложена классификация водных объектов на основании их способности к самоочищению, выявлены критерии кризисного и погибшего водоёма, введено понятие периода самоочищения и на его основании приведена градация водных объектов, что дает возможность построения более точного и обоснованного прогноза.

3. На основании теоретических и большого объёма экспериментальных натурных исследований разработана модель способности водоёма к самоочищению, позволяющая учитывать основные влияющие на данную способность факторы и дающая возможность оценки протекания процесса естественного очищения.

4. Проведён анализ методических погрешностей метода ЕИ-метрии, который позволил предложить некоторые пути их уменьшения, что ранее не проводилось.

5. На основании предложенной модели способности водоёма к самоочищению разработана методика, позволяющая не только оценивать способности водоёма к естественному самоочищению, но и определять период времени, необходимого для самоочищения.

6. Предложено конструктивное исполнение погружаемого модуля (зонда) донной информационно-измерительной системы определения способности водоёма к самоочищению, позволяющее реализовать пошаговое заглубление измерительных элементов в слой донного осадка непосредственно в водоёме.

7. Предложена структура донной ИИС, позволяющей оперативно непосредственно в водоёме прогнозировать состояние водной экосистемы путём определения её способности к естественному самоочищению, проанализированы её аппаратурные погрешности.

1.5 Практическая ценность работы.

1. Проведённые теоретические и экспериментальные исследования позволили создать базу для проектирования и разработки донной ИИС, предназначенной для перспективного прогнозирования состояния водоёма на основании его способности к естественному самоочищению, которая будет наиболее полезна предприятиям различной промышленности, использующим расположенные на их или на прилежащих территориях водные объекты с целью утилизации отходов. Также система успешно может применяться на очистных сооружениях и в сельскохозяйственной отрасли.

2. Разработанная методика, позволяющая классифицировать водные объекты на основании их способности к самоочищению, выявлять водоёмы с кризисной экосистемой и водоёмы с погибший экосистемой, определять период самоочищения для способных к естественному самоочищению водоёмов, может быть включена в программу экологического мониторинга природных поверхностных вод и применяться различным экологическим службам и природоохранным организациям.

1.6 Основные научные положения, выносимые на защиту.

1. Экстраполяционная концепция перспективного прогнозирования экологического состояния водоёма на основе оценки его способности к естественному самоочищению дает новый виток в направлении развития класса прогнозных ИИС.

2. Модель способности водоёма к самоочищению, полученная на основании теоретических и экспериментальных натурных исследований, учитывает основные факторы, влияющие на естественное самоочищение водоёма.

3. Методика определения способности водоёма к самоочищению позволяет классифицировать водные объекты на основании их способности к самоочищению, выявлять водоёмы с кризисной экосистемой и водоёмы с погибший экосистемой, определять период самоочищения для способных к естественному самоочищению водоёмов, состоятельность которой подтверждена результатами экспериментальных данных.

4. Оригинальная идея конструктивного исполнения погружаемого модуля (зонда) ИИС, которая позволяет реализовать оценку способности к самоочищению непосредственно в водоёме.

1.7 Реализация результатов работы.

Методика определения способности водоёма к самоочищению и макет информационно-измерительной системы опробованы и используются на ФГУ «Средневолжрыбвод».

1.8 Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

— международной конференции «Black Sea'2004» (г. Варна, Болгария, 2004 г.);

— Всероссийской научно-технической конференции «Биомедсистемы -2004» (г. Рязань, 2004 г.);

— международной конференции «Информационно-измерительные и управляющие системы — 2005» (г. Самара, 2005 г.);

— международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, 2006 г. и 2007 г.);

— научно-технических семинарах кафедры «Информационно-измерительная техника» Самарского государственного технического университета.

1.9 Публикации. Основное содержание диссертационной работы изложено в 9 печатных работах: 5 статей и 4 научных доклада, в том числе из перечня, рекомендованного ВАК России -1.

1.10 Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 разделов, заключения, приложения, перечня используемой литературы. Работа содержит 161 с. машинописного текста, 19 таблицы, 26 иллюстраций, 1с. приложения и 7 с. библиографического списка из 84 наименований.

ВЫВОДЫ.

1. Разработанная конструкция погружаемого модуля донной ИИС определения СВС позволяет реализовать пошаговое внедрение датчиков окислительно-восстановительного потенциала и температуры в верхний слой донного осадка непосредственно в водоёме и является оригинальным решением поставленной задачи.

2. При использовании в качестве датчика ЕН комбинированного электрода с погрешностью измерения окислительно-восстановительного потенциала 4 мВ глубина шага внедрения его в слое донного осадка составляет 3 мм.

3. Установлено, что максимальный угол отклонения заглубления датчика ЕЬ от вертикали составляет 5°, соответственно, установка зонда на дне водоёма возможна на поверхностях, наклон которых относительно горизонтали составляет 5° и менее, что позволит избежать соскальзывания зонда с наклонных поверхностей в месте его установки. Диаметр основания, в который перпендикулярно закреплёны датчики окислительно-восстановительного потенциала и температуры равен 45 см.

4. Экспериментальные исследования, проводимые в процессе внедрения методики определения СВС, подтверждают основные результаты теоретических исследований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе поставлена и решена задача разработки донной информационно-измерительной системы определения способности водоёма к самоочищению, позволяющей оперативно проводить прогнозное оценивание состояния водных экосистем.

В диссертационной работе получены следующие основные научные и практические результаты:

1. Доказано, что предложенная концепция перспективного прогнозирования состояния водоёма на основании его способности к естественному самоочищению, является новой и позволяет выявить тенденцию изменения экологического состояния водной среды под действием уже накопившегося уровня загрязнения в требуемый момент времени.

2. Установлено, что метод ?/г-метрии, в основе которого лежит оценка распределения окислительно-восстановительного потенциала в верхнем слое донного осадка, является единственным методом, позволяющим оперативно определять способность водоёма к самоочищению посредством прямого измерения информативного параметра.

3. Полученные теоретические и экспериментальные результаты доказывают, что интегральным параметром, отображающим динамику протекания естественного самоочищения в водоёме, является окислительно-восстановительный потенциал, распределение положительных значений которого обуславливает толщину защитного слоя донного осадка.

4. Установлено, что способность водоёма к самоочищению в полной мере характеризуется не только распределением окислительно-восстановительного потенциала в верхнем слое донного осадка и толщиной защитного слоя, но и температурным режимом в водоёме.

5. Установлено, что разработанная методика определения способности водоёма к самоочищению, позволяет классифицировать водные объекты на основании их способности к самоочищению, выявлять водоёмы с кризисной экосистемой и водоёмы с погибший экосистемой, а также определять период самоочищения для способных к естественному самоочищению водоёмов.

6. Показано, что в предложенной структуре донной ИИС, позволяющей оперативно непосредственно в водоёме прогнозировать состояние его экосистемы на основании способности её к естественному самоочищению, существует возможность её функционального расширения.

7. Установлено, что идея конструктивного исполнения погружаемого модуля (зонда) ИИС, позволяющая реализовать оценку способности к самоочищению непосредственно в водоёме, является перспективной в направлении развития измерительной техники.