CC BY
65
УДК: 504.064.3
A.C. Бодяжин1, P.P. Шагидуллин2, О.Ю. Тарасов2, A.M. Петров2
'Министерство экологии и природных ресурсов РТ, Казань, m412@mail.ru 2Институт проблем 'экологии и недропользования АН РТ, Казань, olta@li.ru
МОБИЛЬНЫЕ СРЕДСТВА КОНТРОЛЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД
Проведение экспрессного экологического контроля крупных водных объектов невозможно без использования мобильных средств с системами автоматизированного измерения и обработки гидрофизической и гидрохимической информации. Применение таких систем позволяет решать разноплановые задачи: определение источников сбросов и их характеристик, выявление загрязненных или аномальных зон водного объекта, изучение процессов смешения и пространственного распределения разнородных водных потоков.
Ключевые слова: поверхностные воды, автоматизированные системы контроля, качество вод.
Введение
Одной из важных составляющих систем экологического мониторинга являются мобильные автоматизированные средства мониторинга (МАСМ). В зависимости от видов измерительных средств МАСМ могут определять: факт выброса загрязняющих веществ в атмосферный воздух и его характеристики - радиолокационные и оптические (лидарные) мобильные системы дистанционного зондирования; факт сброса в водоемы и его параметры - системы видеоконтроля; состав выбросов и сбросов, концентрации загрязняющих веществ в атмосферном воздухе и в природных водах - с помощью химико-аналитических приборов различного принципа действия; уровни радиоактивного загрязнения - системы радиационного контроля и др. (Москвин и др., 2009; Никаноров, Циркунов, 1994).
Мобильные средства вырабатывают большой поток разнородной измерительной информации о характеристиках природных объектов, имеющих разные единицы измерения, диапазоны, точность и дискретность. Систематизация, обработка, архивирование и эффективное ис-
пользование этой информации обеспечиваются компьютерными системами сопровождения мобильных средств.
МАСМ можно также классифицировать по типу носителя. Различают МАСМ, установленные на автомобильном шасси, на летательных аппаратах, на судах, на железнодорожном транспорте, размещенные в транспортируемых контейнерах и т.д. (Бородин, Миронов, 2009; Гусев и др., 1997; Шарнин и др., 2001).
Применительно к контролю водных объектов каждый из видов мобильных автоматизированных средств имеет свои недостатки и преимущества. Средства контроля на шасси автомобиля позволяют вести наблюдения за состоянием поверхностных вод в тех точках, где использование судовых средств не представляется возможным. Это, например, мелководные малые реки, небольшие замкнутые водоемы, родники и т.п. Незаменимы автомобильные лаборатории в зимнее время, когда эксплуатация судовых лабораторий невозможна в принципе. К недостаткам автомобильных лабораторий можно отнести пространственную дискретность определений, их за-
Окончание статьи Д.В. Иванова, А.Б. Александровой, Б.Р. Григорьяна, В.И. Кулагиной «Редкие и исчезающие почвы Республики Татарстан»
D.V. Ivanov, A.B. Aleksandrova, B.R. Grigorjan, V.I. Kulagina. Rare and vanishing soils of Tatarstan Republic.
Features of morphological structure, physical and chemical properties of the soils needing in special protection are studied. The structure of the Red book of soils of Tatarstan is developed. Six subtypes of zone and azonal soils of Tatarstan are recommended to include in a category of rare and vanishing soils.
Keywords: the Red book of soils, rare and vanishing soils, soil preservation.
Аселъ Биляловна Александрова к.биол.н., старший научный сотрудник лаборатории биогеохимии Института проблем экологии и недропользования Академии наук РТ. Научные интересы: почвоведение, биогеохимия, почвенная мезофауна.
Институт проблем экологии и недропользования АН РТ 420087, Казань, ул. Даурская, 28. Тел.: (843) 275-95-73.
Борис Рубенович Григоръян к.биол.н., заведующий лабораторией агроэкологичес-ких разработок Института проблем экологии и недропользования Академии наук РТ, зав. кафедрой почвоведения Казанского (Приволжского) федерального университета. Научные интересы: биологическое, ресурсосберегающее земледелие; генезис почв, мониторинг качества почв.
Валентина Ивановна Кулагина к.биол.н., старший научный сотрудник лаборатории аг-роэкологических разработок Института проблем экологии и недропользования Академии наук РТ, доцент кафедры почвоведения Казанского (Приволжского) федерального университета. Научные интересы: генезис и классификация почв, мониторинг почв, аллювиальные почвы.
Казанский (Приволжский) федеральный университет 420008, Казань, ул. Кремлевская, 18. Тел.: (843) 233-75-10.
^научно-техническим журнал
5 (41) 2011 Георесурсы
висимость от состояния береговой зоны водных объектов и от наличия подъездных путей.
Судовые автоматизированные лаборатории, в свою очередь, позволяют проводить экологический мониторинг как на обширных площадях контролируемых акваторий с получением в процессе патрулирования информации о состоянии поверхностных вод в режиме «on-line», т.е. в реальном масштабе времени, так и проводить измерения в конкретных заданных точках с целью изучения временной динамики гидрофизико-химических характеристик (Гусев и др., 1997; Москвин и др., 2005).
Сегодня в мировой практике экологического мониторинга используются и стационарные (установленные в заданной точке наблюдений) автоматизированные измерительные средства. Основным препятствием для широкого использования стационарных средств в количестве, достаточном для целей экологического мониторинга, является высокая стоимость этих автоматизированных измерительных станций и необходимость создания определенной инфраструктуры (электропитание, наличие охраны, необходимость создания нормативных микроклиматических условий для обеспечения стабильного функционирования измерительной аппаратуры, транспортная доступность и др.). Не решают автоматизированные стационарные станции и проблемы устранения пространственной дискретности анализов.
Поэтому в настоящее время все более актуальным становится освоение природоохранными службами мобильных средств оперативного экологического мониторинга водных объектов, позволяющих в реальном масштабе времени отслеживать экологическую обстановку на конкретном участке контролируемой акватории и обеспечивать, в случае происшествий чрезвычайного характера, быстроту прибытия на место аварии и оперативность получения необходимой экоаналитической информации. Использование мобильных комплексов позволяет расширить контролируемую территорию при том же объеме измерительной аппаратуры и оперативно изменять расположение точек контроля в зависимости от создавшейся обстановки и интенсивности воздействия источников загрязнения. Сочетание общего контроля обширных площадей водной среды с контролем точечных источников загрязнения дает возможность оперативно, экологически и экономически эффективно, получать объективную информацию о состоянии поверхностных вод обследуемых водных объектов, принимать решения, обеспечивающие управление качеством поверхностных вод.
Экспериментальная часть
Состав показателей качества воды, подлежащих контролю, достаточно велик. При выборе методов осуществления соответствующих измерений руководствуются такими требованиями как экспрессность, селективность, чувствительность, возможность включения в систему автоматизации, простота аппаратурного оформления, низкая стоимость.
Наиболее просты для аппаратурного оформления и автоматического дистанционного управления методы, выдающие искомые параметры в виде электрических сигналов. Поэтому широкое распространение в автоматизированных средствах контроля водной сре-
Рис. 1. Судовой природоохранный эколого-аналитический комплекс «Волга-М», установленным на базе патрульного судна «Фламинго».
ды получили электрохимические датчики. Чаще всего измеряются пять показателей: концентрация ионов водорода (рН), удельная электропроводность (УЭП), содержание растворенного кислорода (02), окислительно-восстановительный потенциал (ЕЪ) и температура (Т). Эти показатели дают общее представление о качестве поверхностных вод. Измерение этих гидрофизико-химических характеристик в настоящей работе осуществлено с использованием приборов и оборудования судового природоохранного эколого-аналитического комплекса «Волга» (СПК «Волга») (Гусев и др., 1997; Москвин и др., 2009).
Для определения дополнительных гидрохимических характеристик применена аппаратура СПК, основанная на методах непрерывного проточного и проточно-инжекци-онного анализов.
Судовой природоохранный эколого-аналитический комплекс «Волга» в системе экологического мониторинга и эколого-аналитического контроля поверхностных вод Куйбышевского и Нижнекамского водохранилищ использован впервые. Комплекс, изготовленный ЗАО НПО «Гра-нит-НЭМП» (г. Санкт-Петербург), установлен на базе патрульного судна «Фламинго» (рабочий катер «Ярославец» типа РМ-376). Регулярные работы по эколого-аналитичес-кому контролю водных объектов Республики Татарстан с использованием СПК «Волга» начались с 1996 года (Шагидуллин и др., 2000).
В 2007-2008 гг. произведено существенное переоснащение измерительных приборов и оборудования, создан
Рис. 2. Карта-схема изменения удельной электропроводности водыг в районе подводного вытуска сточныгх вод БОС МУП «Водоканал» г. Казани (июнь 2003 г.).
научно-технический журнал
I еоресурсы 5 ир 2011
модернизированный судовой природоохранный комплекс эколого-аналитического контроля СПК «Волга-М» (Рис. 1).
В специализированный комплекс контроля экологического состояния водной среды и донного грунта «ВолгаМ» входят:
- передняя погружаемая система контроля параметров водной среды в приповерхностном слое с устройством непрерывного отбора и подачи на борт судна проб воды;
- погружаемая система контроля параметров водной среды на глубинах до 30 м;
- аналитический комплекс для гидрохимического экспресс-определения в проточном режиме концентраций ряда веществ-загрязнителей (хлоридов, фторидов, фосфатов, нитратов, нитритов, ионов аммония, железа, меди, марганца, фенолов, синтетических поверхностно-активных веществ, нефтепродуктов) в непрерывно подаваемых на борт судна пробах воды;
- комплекс дистанционного зондирования водной поверхности для обнаружения пленок нефти и нефтепродуктов;
- комплекс телеуправляемого подводного осмотрово-го аппарата;
- система непрерывного отбора проб воды;
- устройство отбора проб донных отложений при стоянке судна;
- комплекс ультразвукового зондирования толщи воды для обнаружения инородных включений;
- система спутниковой навигации;
- вычислительная система, обеспечивающая документирование, обработку и архивирование поступающей информации.
Вычислительная система позволяет оформлять документы по результатам патрулирования, наносить на маршрут движения отметки о наличии веществ-загрязнителей, точки отбора проб и т.д. Она состоит из компьютеров центрального поста, химического поста, геоинформационной системы, связанных в единую сеть.
Результаты и обсуждение
На территории Татарстана расположены два водохранилища Волжско-Камского каскада - Куйбышевское и Нижнекамское. Водохранилища используются комплексно: в интересах промышленного и сельскохозяйственного производства, для судоходства, как источники питьевого водоснабжения, в рыбохозяйственных и рекреационных целях. Для природоохранных служб республики всегда остро стояла проблема необходимости обеспечения масштабного и оперативного контроля этих водных объектов. Появление судовой лаборатории позволило регулярно, в навигационный период, проводить комплексное обследование Куйбышевского и Нижнекамского водохранилищ с целью наблюдения за качеством поверхностных вод и с целью обеспечения эколого-аналитического контроля точечных и диффузных источников загрязнения.
Существенную роль в формировании качества воды водохранилищ, используемых в рыбохозяйственных целях и для питьевого водоснабжения, играет качество сточных вод, сбрасываемых с очистных сооружений. Ситуация в этой области требует постоянного контроля (Петров, Шагидуллин, 2011).
Сложные гидрологические характеристики, изменения
Рис. 3. Карта-схема изменения концентрации растворенного кислорода в воде в районе подводного вытуска сточныгх вод БОС МУП «Водоканал» г. Казани (июнь 2003 г.).
направлений движения водных потоков при колебаниях уровня водохранилища, сгонно-нагонные явления затрудняют оценку последствий антропогенного воздействия сточных вод на такие крупные водоемы, как Куйбышевское и Нижнекамское водохранилища. Для корректной оценки последствий воздействия загрязнений на эти водные объекты требуется проведение комплексных исследований в районах выпусков возвратных вод. При этом выбор
0.72
0.7
0,69
0.64
0,6
о.5а
О 54
0.5 0.49 0,42 0.4
о.за
0.3
11 км
§
11 км
Рис.4. Разделение водныгх масс р.Кама и р.Белая в месте их слияния по результатам непрерывных автома-тизированныгх измерений удельной электропроводности водыг (мСм/см) (а - август 1997 г., б - август 2002
0.65
0.6
0.55
0.5
0-45
0-4
0.35
03
0,25
0,2
0,15
г.).
5 (41) 2011
^научно-техническим журнал
Георесурсы
Рис. 5. Разделение водныгх масс р. Казанки и Куйбышевского водохранилища в месте их слияния по результатам непрерыывныых автоматизированным измерений удельной электропроводности водыI (сентябрь 2001 г.).
точек отбора проб природных вод, донных отложений и участков изучения придонных биоценозов должен основываться на достоверной информации о физико-химических характеристиках глубинных и поверхностных слоев воды, наиболее вероятных направлениях рассеивания возвратных вод, определении зоны их влияния.
Исходя из того, что городские биологические очистные сооружения МУП «Водоканал» г. Казани являются самыми крупными в Республике Татарстан, было проведено комплексное обследование района их рассеивающего выпуска. Цель работы заключалась в определении точного места расположения выпуска, установлении зоны и закономерностей рассеивания сточных вод и анализа степени их воздействия на экосистему водоема.
Обследование выпуска проводилось поэтапно. Первый этап включал оперативную оценку общей экологической ситуации, выявление физико-химических аномалий и изучение их динамики, измерение обобщенных параметров поверхностных вод (рН, УЭП, 02, ЕЪ, Т). На этом этапе использовалось сочетание дистанционных методов (дистанционного обнаружителя пленки нефтепродуктов, аппаратуры ультразвукового зондирования дна и толщи воды, системы спутниковой навигации) и показаний датчиков гидрофизико-химических преобразователей в режиме горизонтального и вертикального сканирований
Рис. 6. Карта-схема изменения удельной электропроводности водыг на маршруте движения СПК «Волга-М» (2010 г.).
(Рис.2,3). Из рисунков видно, что картина рассеивания сточных вод нестатична.
На втором этапе проводилась идентификация конкретных загрязнителей в выявленных аномальных зонах с определением концентрации этих веществ. На этом этапе исследований использовались как приборы экспрессного гидрохимического анализа судового комплекса, так и измерения концентраций загрязняющих веществ в пробах воды, отобранных в выявленных зонах загрязнения и доставленных для проведения анализов по расширенному перечню показателей загрязненности в стационарную «береговую» аналитическую лабораторию.
Уровень загрязнения поверхностных вод в регионе складывается из местных сбросов и транзитных переносов. Если местные сбросы определены и контролируются (и могут быть сокращены), то транзитные загрязнения в настоящее время не оцениваются из-за отсутствия нормативных документов, регламентирующих контроль на створах рек, находящихся на административных границах сопредельных регионов - субъектов Российской Федерации.
Так, например, сток поверхностных вод с соседних территорий - из Чувашской и Марийской республик (река Волга), Удмуртии (реки Кама, Иж, Тойма), Башкортостана (реки Белая, Ик), Кировской (река Вятка), Ульяновской (река Сви-яга) и Самарской областей (реки Большой Черемшан, Кон-дурча), оказывает сильное воздействие на качество вод в республике. Куйбышевское и Нижнекамское водохранилища не являются замкнутыми системами. Оценить их состояние, а тем более прогнозировать направление дальнейшего изменения качества вод невозможно без учета состояния всего водосборного бассейна в целом. Поэтому изучение качества вод на административных границах республики, качества вод и устьевых участков рек, впадающих в водохранилища (Рис. 4, 5), является одной из актуальных задач осуществляемого эколого-аналитического контроля качества поверхностных вод природных водных объектов.
Представленные на рисунках распределения позволяют наглядно определить зоны смешения и воздействия боковых притоков водохранилищ.
Получаемые большие массивы информации позволяют создавать карты-схемы изменения гидрофизических и гидрохимических параметров воды на пройденных маршрутах. На основании этих карт-схем проведено «районирование» водохранилищ, выделены участки акваторий с водой сходного качества и происхождения (Рис.6).
В период с 1996 года по настоящее время с использованием патрульного судна с эко-аналитическим комплексом было осуществлено детальное обследование Куйбышевского и Нижнекамского водохранилищ, включая участки акваторий с повышенным техногенным воздействием. В частности, исследованы места основных организованных выпус-
|— научно-технический журнал
I еоресурсы 5 (41) 2011
ков сточных и ливневых вод предприятий жилищно-коммунального хозяйства гг. Казань, Зеленодольск, Чистополь, Нижнекамск, Елабуга, Набережные Челны и крупных промышленных предприятий; зоны влияния неорганизованных, «рассредоточенных» источников загрязнения; устьевые участки основных притоков Волги и Камы - рек Свия-га, Казанка, Меша, Вятка, Шешма, Зай, Белая, Ик; места поступления загрязняющих веществ с территорий сопредельных субъектов Российской Федерации и др.
Определены закономерности распространения и рассеивания загрязняющих веществ с использованием физико-химических датчиков, работающих в режиме реального времени, исследованы зоны с высоким уровнем загрязнения, проведен отбор проб поверхностных и сточных вод, донных отложений с последующим количественным химическим и токсикологическим анализом этих проб в условиях стационарной аккредитованной лаборатории.
В результате проведенных исследований определены местоположения и зоны влияния источников загрязнения, скорректированы точки пробоотбора, ряд выпусков исследованы комплексно и подробно. Источники загрязнения нанесены на карты-лоции.
Реализован маршрутный мониторинг поверхностных вод Куйбышевского и Нижнекамского водохранилищ, продемонстрирована эффективность использования оборудования судового автоматизированного экоаналитическо-го комплекса при контроле качества поверхностных вод, особенно в случае возникновения аварийных и чрезвычайных ситуаций.
Доказана эффективность использования при контроле качества поверхностных вод значений обобщенных гидрофизико-химических показателей (относительная техническая простота реализации при сохранении большой информативности).
Ближайшей перспективой развития работ по использованию комплекса, наряду с оптимизацией конфигурации и расширением возможностей (в том числе за счет интегрирования в состав комплекса средств и методов детального анализа), являются систематизация и дальнейшее развитие базы данных по результатам эколого-аналитичес-кого контроля с последующим наложением на картографическую основу, моделирование процессов распространения и переноса загрязнений водными массами на конкретных участках акватории республики. Это позволит обеспечить решение как «прямой» (определение закономерностей распространения загрязнения от известного источника), так и «обратной» (определение неизвестного источника загрязнения) экологических задач.
Заключение
Полученные результаты подтверждают эффективность и необходимость использования мобильного автоматизированного судового комплекса в системе эколого-анали-тического контроля качества поверхностных вод как в качестве самостоятельной единицы, так и в сочетании с традиционной системой контроля качества поверхностных вод природных водных объектов.
Литература
Бородин Л.Ф., Миронов A.C. Самолетные и подвижные лаборатории для изучения окружающей среды, стихийных и техногенных
катастроф. Экологические системы и приборы. №11. 2009. 15-20.
Гусев A.B., Москвин А.Л., Москвин Л.Н. Оперативный экологический мониторинг акваторий. Проблемы и способы их решения. Экологическая химия. № 6(3). 1997. 145-150.
Москвин А.Л., Хромов-Борисов С.Н. Мобильные комплексы для экоаналитического контроля. Тез. докл. VII Всероссийской конференции по анализу объектов окружающей среды: «Экоанали-тика-2009». Йошкар-Ола. 2009. 155-156.
Москвин А. Л., Москвин Л. Н. Вода и водные среды: химический анализ «on line», проблемы и решения. Успехи химии. № 2 (74). 2005. 155-163.
Никаноров A.M., Циркунов В.В. Системы мониторинга качества поверхностных вод. СПб. Гидрометеоиздат. 1994. 235.
Петров А.М., Шагидуллин P.P. Антропогенная нагрузка на водные объекты и проблемы функционирования биологических очистных сооружений. Георесурсы. № 3(39). 2011. 14-20.
Шагидуллин P.P., Трофанчук В.М., Безрядин С.Г. и др. Судо-вый природоохранный комплекс «Волга» в системе оперативного эколого-аналитического контроля качества поверхностных вод Республики Татарстан. SOS. №.4. 2000. 2-7.
Шарнин Г.П., Кадочников А.П., Мирясов P.P., Булидоров В.В. Передвижные лаборатории как средства оперативной диагностики экологической ситуации. Вестник ТОРЭА. №1-2. 2001. 68-71.
A.S. Bodyagin, R.R. Shagidullin, O.Yu. Tarasov, A.M. Petrov. Mobile equipment for the control of surface water.
The conducting of express environmental control of large water bodies is impossible without the use of mobile systems with automated measurement and processing of hydro-physical and hydro-chemical information. The use of such systems allows us to solve diverse problems: identification of sources of discharges and their characteristics, identification of contaminated or anomalous zones of the water body, the study of mixing processes and the spatial distribution of heterogeneous water flow.
Keywords: surface water, automated control systems, water quality.
Андрей Сергеевич Бодяжин главный специалист Центральной специализированной инспекции аналитического контроля Министерства экологии и природных ресурсов Республики Татарстан. Научные интересы: аналитическая химия, химия природных вод, экологический мониторинг.
420049, Казань, ул. Павлюхина, д. 75. Тел.: (843) 291-05-83.
Рифгат Роалъдович Шагидуллин к.физ.-мат.н., директор Института проблем экологии и недропользования Академии наук Республики Татарстан. Научные интересы: охрана окружающей среды и рациональное природопользование, экологическая химия, эко-лого-аналитический контроль, экологический мониторинг, физико-химические методы исследования объектов окружающей среды.
Олег Юръевич Тарасов
к.хим.н., заведующий лабораторией эколого-аналити-ческих измерений и мониторинга окружающей среды. Научные интересы: аналитическая химия, химия природных вод, экологический мониторинг.
Институт проблем экологии и недропользования АН РТ 420087, Казань, ул. Даурская, 28. Тел.: (843) 275-94-91.
^научно-технический журнал
5 (41) 2011 Георесурсы
