2.2.6 Математическое обеспечение и гис-технологии

Для обработки полученной информации и результаты отбора проб почвы, растительности, воды, атмосферного воздуха и снега используется математическое моделирование и ГИС-технологии.

ГИС – это совокупность технических, программных и организационных средств сбора, хранения, математической обработки, редактирование параметрических данных о состоянии объектов природы и его прогнозировании.

Применение ГИС-технологии для организации системы мониторинга ставит в первую очередь проблему выбора соответствующего программного обеспечения.

В частном случае обработку данных можно производить в операционной среде Windows и с использованием таких программ, как Word (для ввода текстовой и графической информации), Excel (для произведения различных вычислений и построения графиков и диаграмм), Surfer (для построения карт и изолиний содержания элементов), а также для обработки геохимических данных используется пакет программ «Statistiсa», в сравнении с ПДК в водной среде.

2.3 Методы пробоотбора, подготовки и обработки проб

Снеговой покров

Снеговое опробование проводят методом шурфа на всю мощность снежного покрова, за исключение 5-и см слоя над почвой, с замером сторон и глубины шурфа. Фиксируется время (в сутках) от начала снегостава. Вес пробы – 10-15 кг, что позволяет получить при оттаивании 8-10 л воды. Опробование снега предполагает раздельный анализ снеговой воды и твердого осадка, который состоит из атмосферной пыли, осажденной на поверхность снегового покрова. Нерастворимая фаза выделяется путем фильтрации на беззольном фильтре; просушивается, просеивается для освобождения от посторонних примесей и взвешивается [6]. Все дальнейшие работы выполняются с учетом методических рекомендаций приводимых в работах Василенко В.Н. и др. (Василенко и др., 1995), Назарова И.М. и др. (Назаров и др., 1978), методических рекомендациях ИМГРЭ (Методические..., 1982) и руководстве по контролю загрязнения атмосферы (РД 52.04.186-89).

Пробоподготовка начинается с таяния снега, а затем включает следующие операции: фильтрация, высушивание, просеивание, взвешивание и истирание, что демонстрируется на рисунке 5.

Рисунок 5. Схема обработки и изучения снеговых проб [6]

Пробоподготовка снега предполагает раздельный анализ снеготалой воды, полученной при оттаивании, и твердого осадка, который состоит из атмосферной пыли, осажденной на поверхность снегового покрова.

Снеготалую воду фильтруют, в процессе фильтрования получают твердый осадок на беззольном фильтре и фильтрованную снеготалую воду.

Просушивание проб также производится при комнатной температуре либо в специальных сушильных шкафах. Просушенные пробы просеиваются для освобождения от посторонних примесей через сито с размером ячейки 1 мм и взвешиваются. Разница в массе фильтра до и после фильтрования характеризует массу пыли в пробе [6].

Почвенный покров

Требования по отбору проб почв регламентируются следующими нормативными документами - ГОСТ 17.4.2.01-81 [13], ГОСТ 17.4.3.01-83 [11], ГОСТ 17.4.1.02-83 [12], ГОСТ 17.4.4.02-84 [18], ГОСТ 17.4.3.02-85 [19], а также методическими рекомендациями (Методические …, 1982; Ермохин и др., 1995).

Для проведения необходимых исследований нужно отобрать 9 точечных проб почвы. Опробование почвенного разреза проводится по интервалу 0-20 см. Образцы почв массой не менее 2,5 кг каждый отбираются с зачищенной описанной стенки шурфа, начиная снизу, из середины, или нескольких мест генетических горизонтов, и обязательно с поверхности разреза. Точечные пробы необходимо отбирать инструментом, не содержащим металлов (пластмассовый совок). Из точечных проб почвы формируют объединенные пробы, что достигается смешиванием 5 точечных, отобранных на одной пробной площадке. Масса пробы должна быть не менее 2,5 кг. Отобранные образцы упаковываются в мешочки или в плотную оберточную бумагу и завязывают шпагатом. Все образцы из одной точки наблюдения упаковываются вместе в коробки или ящики, на которых указываются номер точки наблюдения (номер основного разреза и номер профиля); образцы сильно увлажненные, а также засоленные упаковываются в пергаментную бумагу или в полиэтиленовую пленку.

Подготовка проб почвы к анализам не менее важная операция, чем сам отбор проб. Она слагается из нескольких последовательно протекающих этапов: предварительное подсушивание почвы, удаление любых включений, почву растирают и просеивают через сито с диаметром отверстий 1 мм. Дальнейшие операции проводят в соответствии со схемой обработки почв (рис. 6) [6].

Все образцы регистрируются в журнале и GPS-навигаторе. Одновременно с отбором проб почвы вокруг шурфа на поверхности методом конверта выполняется 5 точечных замеров в каждой их 9 точек отбора проб почвенного покрова МЭД (СРП 68-01) и U²³⁸, Th²³², K⁴⁰ (РКП-305 «Карат») на площади 5х5 м или 2х2 м. Далее рассчитываются усредненные значения для каждой точки [6].

Рисунок 6. Схема обработки и изучения проб почв [6]

Подземные воды

Гидрогеохимическое опробование производят в соответствии с ГОСТ Р 51592 – 2000. «Вода. Общие требования к отбору проб» и с учетом «Временных методических рекомендаций по гидрогеохимическому опробованию и химико-аналитическим исследованиям подземных вод (применительно к СанПиН 2.1.4.1074-2001)» [28].

Отбор проб воды осуществляется погружными электрическими насосами с предварительной сменой 3 объемов воды в стволе скважины. Измерение объема откаченной воды производится расходомерами. Откачка проводится под контролем изменения рН, Eh и проводимости. Стабилизация этих параметров свидетельствует о поступлении пластовой воды. При необходимости поинтервального отбора проб используется модульный глубинный пробоотборник ПГМ-65-1000 с предварительной откачкой воды в объеме фильтровой колонны. При инженерно-геологических изысканиях и картировании неглубокозалегающих водоносных горизонтов отбор проб выполняется желонированием. При исследовании глубокозалегающих горизонтов в процессе сооружения скважин отбор проб пластовой жидкости выполняется центрифугированием из керна.

Пробы отбираются в закрывающуюся посуду, изготовленную из пластика для пищевых продуктов. Емкость заполняется водой «под горлышко». При отборе проб для определения сорбируемых радионуклидов используется разовая посуда.

Непосредственно на месте отбора проб определяются рH, Eh, солесодержание, НСО₃^-, растворенный СО₂.

После выполнения пробоотбора любым способом для удаления глинистых частиц и взвесей выполняется предварительная фильтрация проб через префильтры с диаметром пор 450 нм (например, фирмы «Милипор» АР404705). Фильтрация выполняется под давлением азота или вакуумной прокачкой из емкости, в которую был проведен пробоотбор. Пропущенные через префильтр пробы консервируются по ГОСТ Р 51592 – 2000.

При отборе воды на определение форм миграции радионуклидов, проба отбирается в разовую посуду, предварительно заполненную азотом или инертным газом. Фильтрацию через фильтры с диаметром пор 400, 200, 100, 50 и 5 нм выполняют азотом или инертным газом, обеспечивая не соприкосновение пробы с воздухом. После фильтрации пробы консервируются.

Отбор проб воды для определения химического состава из заданных интервалов фильтра, отбор проб для определения водорастворенных и свободных газов из скважин на заданной глубине выполняется согласно руководству АХА 2.837.345 РЭ к пробоотборнику глубинному модульному ПГМ-65-1000. При проведении гидрогеологических исследований особое внимание следует обратить на изучение защитных свойств пород зоны аэрации путем определения их сорбционных параметров. Косвенным показателем условий миграции загрязняющих веществ через зону аэрации может являться распределение их концентрации в вертикальном разрезе. Пробы на определение сорбционных параметров отбираются из пылеватых и глинистых грунтов, анализу подлежат также алевролитовая и пелитовая фракции песчаных и крупнозернистых отложений. Должна быть опробована каждая литологическая разность пород; в интервале 0-1 м пробы отбираются в среднем через 0,25 м, до уровня грунтовых вод первые 10 м через 0,5 м и далее через 1 м и с контактов пород. Натурное изучение сорбционных параметров производится на специальных типовых участках с характерным геолого-литологическим разрезом в зоне максимального воздействия проектируемого предприятия. При проведении гидрогеологических исследований особое внимание следует обратить на изучение защитных свойств пород зоны аэрации путем определения их сорбционных параметров. Косвенным показателем условий миграции загрязняющих веществ через зону аэрации может являться распределение их концентрации в вертикальном разрезе. Пробы на определение сорбционных параметров отбираются из пылеватых и глинистых грунтов, анализу подлежат также алевролитовая и пелитовая фракции песчаных и крупнозернистых отложений. Должна быть опробована каждая литологическая разность пород; в интервале 0-1 м пробы отбираются в среднем через 0,25 м, до уровня грунтовых вод первые 10 м через 0,5 м и далее через 1 м и с контактов пород [6]. Схема обработки и анализа пробы воды представлена на рис.7.

Р астительный покров

Биогеохимическое опробование целесообразно проводить в течение времени, соответствующего определенной фенологической фазе развития растений. Если такой возможности нет, то площадь работ делится на участки, опробование которых займет время, соответствующее определенным фенофазам развития растений. Введение поправок на вегетационные колебания содержаний элементов нецелесообразно, так как представляет собой трудоемкую и малоточную работу. Если требуется зимнее опробование, его проводят после наступления устойчивых морозов и до начала весенних оттепелей (Алексеенко, 2000).

Б иогеохимические пробы могут быть простыми (берется одно растение или одна, заранее определенная его часть) и составными. В последнем случае для пробы отбирается также только один вид растения или его определенная часть. Опробование растений (биогеохимическое) осуществляют на основных точках наблюдения по преобладающим (2-5) видам, повсеместно растущим в районе. Каждое растение составляет отдельную пробу. У травянистых растений в одну пробу отбирают всю наземную часть. Корень отрезают от стебля, тщательно отряхивают от минеральных частиц и помещают в отдельный мешочек. Остальную часть растения заворачивают в плотную бумагу (рис.8).

Озоление проб проводится в лабораторных условиях в специальных электрических печах (Ковалевский и др., 1967; Ковалевский, 1991; Алексеенко, 2000). Последние позволяют выдерживать определенный температурный режим, что резко увеличивает производительность работ при улучшении качества. Озоление можно проводить в фарфоровых и металлических тиглях, предварительно установив, что данные тигли не вызывают загрязнение проб.

Показателем полного озоления является появление равномерной окраски золы (от белой до пепельно-серой и коричневой) и отсутствие черных углей. Золу подвергают растиранию и отправляют в лабораторию на анализ. Учитывая большую гигроскопичность золы многих растений, а также повышенную «слипаемость» ее отдельных частичек, спектральный анализ золы биогеохимических проб «методом просыпки» в большинстве случаев невозможен (Алексеенко, 2000) [6].

Атмосферный воздух

Воздух для определения газового состава отбирается мультигазовым монитором и затем анализируется газоанализатором. Для определения тяжелых металлов воздух прокачивается аспиратором с использованием беззольного фильтра. Перед началом работы фильтр необходимо взвесить. Прокачка через аспиратор продолжается 10 - 15 минут. Далее из аспиратора вынимается фильтр с твердыми частицами и взвешивается. Затем фильтр озоляется и снова взвешивается, после чего отправляется на анализ. Схема обработки проб показана на рисунке 9. Проба воздуха анализируется в соответствие с требованиями ГОСТа 17.2.1.04-77, ГОСТа 17.2.3.01-86, ГОСТа 17.2.4.02-82, ГОСТа 17.2.6.01-86 [6].

Поверхностные воды

На малых реках (р.Соря) поверхностные пробы воды отбираются специально предназначенными для этой цели белым полиэтиленовым ведром. Общим требованиям, предъявляемым к сосудам и емкостям для транспортировки и хранения проб, лучше всего отвечает полиэтиленовая посуда (Алекин и др., 1973) или емкости из прозрачного, бесцветного химически стойкого стекла (Унифицированные …, 1971). Более практичной, особенно на этапе отбора и транспортировки проб, является полиэтиленовая посуда.

Емкости и приборы, используемые при отборе и транспортировке проб, перед использованием тщательно моются концентрированной соляной кислотой. Для обезжиривания используют синтетические моющие вещества. Остатки использованного для мытья реактива полностью удаляют тщательной промывкой емкостей водопроводной и дистиллированной водой. При отборе пробы емкости следует несколько раз ополаскивать исследуемой водой. При отборе пробы емкости следует несколько раз ополаскивать исследуемой водой.

Объем пробы воды зависит от определяемых компонентов и метода установления их концентрации. Отбор гидрохимических проб обязательно должен сопровождаться записями в журнале опробования, нанесением на топографическую карту пунктов отбора проб, составлением паспорта на пробу, который может привязываться к горлышку бутылки или подписываться.

После отбора и доставки проб в лабораторию (полевую или стационарную) они немедленно фильтруются. Взвесь на фильтрах, отстой и сепарационная взвесь не требуют немедленного анализа и могут храниться некоторое время в соответствующих условиях (прохладное темное место). Но необходимо непосредственно после их получения разделить и приготовить пробы к соответствующим видам анализа.

На рисунке 10 показана схема обработки и анализа водных проб [6].

Экзогенные геологические процессы

Мониторинг ЭГП является составной частью мониторинга инженерно-геологических условий. В системе мониторинга ЭГП важнейшую роль играют систематические данные об активности проявления ЭГП и факторах, их определяющих.

Прежде всего, необходимо получать информацию о динамике показателей активности ЭГП, отличающихся в зависимости от категории наблюдательных участков характером и частотой наблюдения.

Комплекс изменяющихся факторов проявления ЭГП определяется механизмом развития и типом ЭГП. Важнейшими из них являются метеорологические и гидрологические (атмосферные осадки, температура воздуха, волнение и уровни морей и водохранилищ, расходы водотоков и т.п.)

Для характеристики многолетнего режима ЭГП необходимы данные по следующим показателям метеорологических и гидрологических факторов:

-количество осадков (в мм) за год, за тёплый и холодный периоды года, за определённый сезон;

-число дней с осадками различной величины (облачными и ливневыми, и т.д.), их интенсивность;

-средняя температура воздуха за год, за тёплый и холодный периоды года, по сезонам, за период снеготаяния, число дней с переходом средней температуры воздуха через 0 и т.д;

-число дней с различными циркуляционными процессами в северном полушарии, классифицируемыми по типизации атмосферной циркуляции.

При прогнозировании оползневого и некоторых других ЭГП из изменяющихся факторов важнейшими являются гидрогеологические условия, показателем для которых служит уровень грунтовых вод.

Для анализа информации об ЭГП и факторах, их обуславливающих, применяется широкий комплекс методов, включающий как простые качественные, так и сложные математические методы. Сложные методы реализуются на ЭВМ с помощью специальных программ.

Оценка тесноты связи процессов и факторов осуществляется количественными и качественными методами. Качественная оценка производится по отношению к норме, количественная – преимущественно на основании корреляционно – регрессионного анализа [6].