img-090539

Рис. 15.7. Схема автоматизированной системы контроля качества поверхно­ стных вод АНКОС-ВГ

состоянии поверхностных вод (физических свойствах и химическом составе) на диспетчерский пункт. Структурная схема АСКЗВ пред­ ставлена на рис. 15.8. Измерение показателей загрязненности вод­ ного объекта АСКЗВ осуществляется с заданной периодичностью (от 1 до 6 ч) под управлением микроЭВМ, входящей в комплекс управления, сбора и первичной обработки информации на станции.

Второй уровень системы — стационарные гидрохимические и гидробиологические лаборатории. Их основной задачей является получение гидрохимической и гидробиологической информации о состоянии водного объекта, которую автоматические станции вы­ давать не могут. В состав системы включены также неавтоматизи­ рованные звенья — передвижные гидрохимические и гидробиоло­ гические лаборатории, которые получают дополнительную инфор­ мацию на водном объекте и, кроме того, доставляют пробы для де­ тального анализа в стационарные лаборатории.

Третий уровень системы — центр обработки информации, по­ ступающей от автоматических станций, передвижных и стацио­ нарных лабораторий. В состав центра входят диспетчерский пункт с узлом связи, вычислительный комплекс, лаборатория по ремонту, наладке оборудования и метрологическому обеспечению. Задачами этого уровня являются сбор, проверка на достоверность, обработка, хранение и выдача потребителям различных видов информации,

в том числе оперативного краткосрочного прогноза состояния вод­ ного объекта.

Системы типа АНКОС-ВГ способны контролировать с помощью всех своих звеньев при минимальных затратах ручного труда около 50 показателей и ингредиентов (табл. 15.2). При этом 18 показате­ лей измеряются автоматически с помощью автоматических стан­ ций типа АЙ1А-201. В ближайшей перспективе количество опреде­ ляемых показателей с помощью автоматических станций контроля может быть увеличено до 26—30. С помощью передвижных гидро­ химических и гидробиологических лабораторий непосредственно на водном объекте можно оп­ ределять до 25 показателей и ингредиентов с высокой (60 % и выше) степенью автоматиза­ ции. Частота наблюдений, вы­ полняемых различными зве­ ньями системы АНКОС-ВГ, может колебаться в широких пределах: от 1—4 раз в месяц до 12 раз в сутки в соответст­ вии с заданной программой.

Рис. 15.8. Блок-схема автоматиче­ ской станции контроля загрязнения

поверхностных вод

Система АНКОС-ВГ способна давать оперативный краткосроч­ ный прогноз (от нескольких часов до 1 сут) с оправдываемостью его на сутки не хуже 85 %. Прогнозирование осуществляется по методу условного математического ожидания. Вероятность обнаружения залповых сбросов сточных вод, длящихся более 1 ч в створах, где установлены автоматические станции контроля, может достигать

85—90 %.

Для оперативного контроля большого числа нормируемых по ПДК ингредиентов и решения задачи прогноза необходима разра­ ботка типового ряда базовых моделей универсальных лабораторных автоанализаторов, переносных приборов и автоматических стан­ ций, которые могут настраиваться на конкретные методы анализа вод с применением микропроцессорной техники. На их основе сле­ дует осуществлять автоматизацию существующих методик анали-

426 Раздел 3. Основы прикладной гидрохимии

Таблица 15.2

Примерный перечень физических и химических показателей, контролируемых звеньями системы АНКОС-ВГ

Примечание, о — существующие методы и средства, • — перспективные ме­ тоды и средства. АСК — автоматизированная станция контроля; ГХЛ — гидрохи­ мическая лаборатория; П — передвижная, С — стационарная, ПП — портативная переносная.

анализа, а разработку новых необходимо вести уже с учетом требо­ ваний универсальных программно перестраиваемых измеритель­ ных технических средств.

Такой подход позволит создавать высокопроизводительные и надежные в работе приборы, измерительные блоки к автоматиче­ ским станциям с высокой степенью автоматизации всех аналитиче­ ских процедур, вплоть до проверки правильности выполнения ана­ лиза и метрологической поверки. С помощью таких автоанализато­

ров можно создавать поточные аналитические линии, что позволит в десятки раз повысить скорость определения тех или иных ингре­ диентов, снизить расходы дефицитных реактивов, уменьшить по­ грешность определений и даст возможность путем программной перестройки измерять на приборах одного типа концентрации нескольких десятков индивидуальных веществ, нормируемых по ПДК. Такие прототипы универсальных программноперестраиваемых анализаторов уже созданы специалистами Гидро­ химического института и научно-производственных объединений. Разработаны и изготовлены анализаторы типа АПВ-102, ИВА-1, КАП-105, которые позволяют определять от 6 до 25 ингредиентов с производительностью 60—240 измерений в час, в то время как ква­ лифицированный аналитик с привлечением обычных приборов де­ лает 8—12 измерений в час.

15.3.3. Дистанционные методы

Разработка дистанционных методов анализа природных вод — важнейшее звено оперативного мониторинга — является еще од­ ним актуальным научным направлением гидрохимии. В условиях усиливающейся антропогенной нагрузки на природные воды воз­ никла потребность в системе мониторинга, адекватной по своим параметрам характеру антропогенного воздействия. В первую оче­ редь это относится ко времени получения данных измерений и к их информативности. Методология получения первичной информации и технические средства, используемые для ее сбора, должны быть рассчитаны на работу в интерактивном режиме, то есть в режиме принятия решения и продолжения работ по данным, получаемым в процессе выполнения этих работ. Время же принятия решений при возникновении чрезвычайной ситуации определяется часами. Со­ временное развитие науки и техники сделало возможным создание таких оперативных методов наблюдений за состоянием водных объ­ ектов, как дистанционные, в том числе аэрокосмические. Эти мето­ ды незаменимы при изучении больших акваторий, при необходи­ мости выполнения работ в сжатые сроки, при возникновении чрез­ вычайной ситуации на водных объектах, находящихся в отдален­ ных и труднодоступных местах. Несмотря на то что они еще недос­ таточно разработаны, за ними большое будущее.

При возникновении (или обнаружении) чрезвычайной ситуации на водном объекте скорость выполнения работ и принятия решений должна быть выше, чем в штатной ситуации при проведении ре­ жимных наблюдений. Поэтому весь процесс выполнения оператив­ ных работ должен быть до предела автоматизирован, а сотрудники, выполняющие работы по обследованию района чрезвычайной си­ туации, должны действовать как хорошо натренированная команда.

В качестве примера приведем данные о скорости проведения опера­ тивного обследования трех объектов группой сотрудников Гидро­ химического института с применением дистанционных методов и средств наблюдений. По одному световому дню затрачено на обсле­ дование примерно 500 км2 в районе пос. Кирилловна на Азовском море (ныне территория Украины), 700 км2 в Темрюкском заливе Азовского моря и около 250 км по руслу реки Северский Донец от пос. Рубежный (ныне территория Украины) до г. Каменск-Шах- тинский.

Чрезвычайная ситуация может быть обусловлена стихийными природными явлениями, а также залповыми сбросами контроли­ руемого и (или) неконтролируемого характера от точечных или распределенных источников загрязнения. При возникновении чрезвычайной ситуации мониторинг состояния экосистемы необ­ ходимо проводить в оперативном режиме. Состав и свойства воды приблизительно в 10—50 пробах при выполнении оперативных ра­ бот невозможно определить в течение 1 сут даже по сокращенной программе, реализуемой в настоящее время на существующей сети ГСН. Информация, получаемая при дистанционном зондирова­ нии — это реакция на физические, химические и биологические процессы, происходящие в водных экосистемах, которая проявля­ ется в излучениях электромагнитных волн. Широкие исследова­ ния, проводимые в России и за рубежом, позволили выявить связь параметров электромагнитного излучения с рядом показателей водных объектов. Биота экосистемы, особенно зоо- и фитопланктон, нормально функционирует только при сохранении определенного гидрохимического и радиационного баланса между ней и окру­ жающей природной средой. Нарушение баланса неизбежно приво­ дит к изменению функциональных, а затем и структурных показа­ телей биоты. Поэтому основной задачей методического обеспечения оперативного мониторинга, в особенности мониторинга в условиях чрезвычайных ситуаций, является развитие методов экспрессного определения интегральных показателей, характеризующих общее состояние экосистемы, разработка алгоритмов и методик автомати­ зированной обработки и анализа собираемых данных и их адапта­ ция к вычислительным комплексам, устанавливаемым на различ­ ных передвижных гидрохимических лабораториях (автомобиль­ ных, авиационных, корабельных).

Таким образом, с помощью методов дистанционного зондирова­ ния можно определить содержание в воде оптически активных компонентов (ОАК), то есть компонентов, изменяющих комплекс­ ный показатель преломления водной среды. К таким компонентам относятся растворенные органические и взвешенные минеральные вещества и пигменты фитопланктона. В случае качественной одно­ родности этих ОАК в водном объекте точность их определения дос­

таточно высока (погрешность примерно 5—7%). Зависимости ра­ диационных свойств от содержания ОАК для различных водных объектов — от очень чистых вод океанов и морей до загрязненных поверхностных вод — отражены в специальной литературе. По из­ лучению в инфракрасной области спектра определяют температуру водных объектов, по радиояркостной температуре в микроволновой области спектра (от 1 до 50 см) — минерализацию воды. Концен­ трацию растворенных нефтепродуктов и наличие на поверхности нефтяной пленки определяют с помощью лидаров-спектроанализа- торов.

В общем виде схема проведения работ при дистанционном мо­ ниторинге состояния поверхностных вод суши должна быть трех­ уровневой.

Верхний уровень обеспечивается работой аппаратуры, устанав­ ливаемой на борту спутника или высоко летящего самолета. В Рос­ сии для этой цели используются специализированные природоре­ сурсные спутники „Ресурс” и „Океан”. Разрешение на местности спектральной аппаратуры видимого диапазона этих спутников из­ меняется от десятков метров (при полосе захвата 50 км) до сотен метров (при полосе захвата более 500 км). С этого уровня можно определять пространственные характеристики района, подвергше­ гося загрязнению при возникновении чрезвычайной ситуации в са­ мых общих чертах. При хороших погодных условиях отчетливо наблюдаются поля оптически активных ингредиентов. В ряде слу­ чаев распределение и перемещение полей выполняет роль естест­ венных трассеров. При своевременном получении информации с природоресурсного спутника район, подвергшийся загрязнению, может быть определен в течение нескольких часов. Высоко летя­ щий самолет имеет несколько меньшую обзорность, но может рабо­ тать и из-под облаков.

Средний уровень обеспечивается работой аппаратуры, устанав­ ливаемой на борту воздушной станции наблюдений (ВСН): легкого вертолета или самолета-амфибии. На этом уровне решается задача уточнения конфигурации (или обнаружения) района, подвергшего­ ся загрязнению, и определения интенсивности этого загрязнения. В процессе проведения съемки (в интерактивном режиме) локализу­ ется источник загрязнения. Определяется скорость распростране­ ния загрязнения либо по спектрометрической информации, либо, более точно, с использованием трассерных методов. Оснащение воз­ душных станций наблюдения современными вычислительными средствами и навигационным оборудованием позволяет по спек­ трометрической информации в видимом диапазоне спектра опреде­ лять ареал воздействия загрязнения на экосистему, а также осуще­ ствлять привязку к местности (в случае работы на крупных водных объектах) с точностью до 10 м. Этой информации в ряде случаев

может оказаться достаточно для принятия решения о начале вос­ становительных или аварийно-спасательных работ. Использование в качестве носителя самолета-амфибии или вертолета позволяет, кроме того, произвести отбор проб воды для анализа и по этим дан­ ным уточнить степень воздействия загрязнения на экосистему. На этом этапе возможно проведение детг льного химического анализа проб воды и установление химического состава загрязняющего ве­ щества. Получение таких данных относится уже к определению качества воды и не считается оперативным. Время получения ис­ черпывающих данных о химическом составе всех отобранных проб воды обычно составляет несколько суток.

Методика работы и организации работ на этом уровне довольно сложна и содержит много нюансов. При известном составе загряз­ няющих веществ на легкий или сверхлегкий вертолет или самолетамфибию устанавливается аппаратура, способная зарегистрировать отклик экосистемы на загрязнение — либо спектрометры видимого диапазона, либо лидар-спектроанализатор, либо инфракрасный или микроволновый радиометр. Соответствующим образом выбирается и оборудование для отбора проб на химический и (или) биологиче­ ский анализ. Вес размещаемой на ВСН аппаратуры строго ограни­ чен.

Ниж ний уровень — это единственный уровень, поставляющий информацию при мониторинге всех типов (не только при оператив­ ном, но и при режимном). Главная задача при работах на нижнем уровне — это оперативный отбор проб воды на химический и биоло­ гический анализ. Работы на нижнем уровне могут выполняться при режимном мониторинге самостоятельно (по программе ГСН). Ана­ логичные пробы отбираются и при оперативном мониторинге, но в этом случае эффективность исследований существенно повышается, если пробы доставляются в лаборатории с помощью легкой авиа­ ции. По оценкам специалистов Гидрохимического института, эф­ фективность работ с использованием авиации в таком варианте в 4—8 раз выше, чем при работе с судов.

Если авиация используется не только как средство доставки проб, а проводит обследования, включенные в программу среднего уровня, пробы отбираются не „вслепую”, а в зонах, выделенных с помощью дистанционных методов. Такая организация работ необ­ ходима при чрезвычайных ситуациях. Совмещение работ на сред­ нем и нижнем уровнях является одной из перспективных задач пе­ реоснащения сети ГСН.

Таким образом, трехуровневая система наблюдений за поверх­ ностными водами в рамках оперативного мониторинга с использо­ ванием дистанционных методов позволяет при одновременном об­ зоре больших акваторий, высоком пространственном и временном разрешении получать с достаточной точностью данные о состоянии

водных объектов, сравнимые с теми, которые получаются при при­ менении аналитических методов контроля. Описанный подход обеспечивает резкое снижение трудо- и ресурсозатрат на проведе­ ние мониторинга при существенном повышении его качества.

Отрицательные результаты антропогенного влияния на природ­ ные воды не являются неизбежным следствием технического про­ гресса. Они обусловлены в основном ошибками в технической и экологической политике, неверным представлением о том, что вод­ ные объекты могут служить приемниками загрязняющих веществ. Задача гидрохимии в настоящее время состоит не только в обеспе­ чении надежного контроля качества природных вод и выявления источников загрязнения. Гидрохимия должна стать надежным фундаментом, на котором будет разработана стратегия управления качеством природных вод и созданы эффективные методы ликви­ дации вредных последствий антропогенного воздействия на окру­ жающую среду.

432

лов В. Г. Охрана окружающей среды. — Л.: Гидрометеоиздат, 1991. — «24 с.

3.В ременны е методические указания гидрометеорологическим стан­ циям и постам по отбору, подготовке проб воды и грунта на химический и гидробиологический анализ и проведение анализа первого дня. — Л.: Гид­ рометеоиздат, 1983. — 25 с.

4.Г линка Н. Л. Общая химия/ Учебное пособие. 23-е изд. — Л.: Хи­ мия, 1983. —702 с.

5. К иреев В. А. Краткий курс физической химии— М.: Химия, 1970. — 638 с.

6. К райнов С. Р., Ш вец В. М. Гидрогеохимия. Учебник для вузов. —

156с.

9.Основы гидрогеологии. Гидрогеохимия / Под ред. С. Л. Шварцева. — Новосибирск: Наука, 1982. — 286 с.

10.Посохов Е. В., Т олстихин Н. И. Минеральные воды (лечебные, промышленные, энергетические). — Л.: Недра, 1977. — 204 с.

11.Р езников А. А., М уликовская Е. П., Соколова И. Ю. Методы

12.Руководство по химическому анализу поверхностных вод суши/ Под ред. А. Д. Семенова. — Л.: Гидрометеоиздат, 1977. — 542 с.

13.Руководство по гидробиологическому мониторингу пресновод­ ных экосистем /Под ред. В. А. Абакумова. — СПб: Гидрометеоиздат, 1992. — 318 с.

14.Угай Я. А. Общая химия / Учебник. — М.: Высшая школа, 1984. — 440 с.

Дополнительная

15. А лекин О. А., Б р аж н и кова Л. В. Сток растворенных веществ с территории СССР. — М.: Наука, 1964. — 143 с.

16. А лмазов А. М. Гидрохимия устьевых областей рек. — Киев: Изд-во АН УССР, 1962. — 255 с.

17. Б абуш кин В. И. Физико-химические процессы коррозии бетона и железобетона. — М.: Стройиздат, 1968. —187 с.