CC BY
175
РАЗДЕЛ I. ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 556.07 : [502.175:504.51]
Д.А. Арчибисов1' 2, Е.В. Касперович1, М.С. Лякишев1, О.Е. Петренко2, В.А. Швецов2
1 Камчатская дирекция по техническому обеспечению надзора на море, Петропавловск-Камчатский, 683031;
2Камчатский государственный технический университет, Петропавловск-Камчатский, 683003 e-mail: d. a. archibisov@mail. ru
ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ УСТРОЙСТВ ОТБОРА ПРОБ ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ.
НЕОБХОДИМОСТЬ И НАПРАВЛЕНИЯ ИХ МОДЕРНИЗАЦИИ
Обосновывается необходимость отбора и анализа проб донных отложений при проведении экологических обследований водных объектов. Рассмотрены существующие устройства для отбора проб донных отложений. Показана актуальность разработки, испытания и внедрения устройств по отбору проб донных отложений, имеющих лучшие характеристики по сравнению с существующими.
Ключевые слова: разгрузочный пункт, загрязняющие вещества, нефть и нефтепродукты, донные отложения, устройства по отбору проб.
10 1 1 О 0 1
D.A. Archibisov ' , E.V. Kasperovich , M.S. Lyakisnev , O.E. Petrenko , V.A. Shvetsov ( Kamchatka's directorate for technical supply of sea supervision, Petropavlovsk-Kamchatskу, 683031, 2Kamchatka State Technical University, Petropavlovsk-Kamchatsky, 683003) Survey of modern sample splitting devices of sea-floor sediments. Necessity and tendencies of their modernization
Necessity of sea-floor sediments sample splitting and analysis during environmental inspection of water bodies was corroborated. Modern sample splitting devices of sea-floor sediments are examined. We demonstrated topicality of development, test and adaptation of devices used for sea-floor sediments sample splitting which have better specifications compared with existing ones.
Key words: discharge point, pollutants, oil and petroleum products, sea-floor sediments, sampling devices.
Одним из самых распространенных видов загрязнения морских водных объектов является загрязнение нефтью и нефтепродуктами, которые, как известно, являются основным энергоносителем, особенно в регионах российского Дальнего Востока, где использование других видов топлива (природного газа и т. д.) развито слабо или затруднено. Зачастую в такие регионы, например Камчатский край, нефтяное топливо завозится исключительно морским транспортом, а перевалка нефтепродуктов ведется через морские порты. Повышенная нагрузка по перевалке нефти и нефтепродуктов также ложится на морские порты регионов, в прибрежных шельфовых водах которых ведется добыча углеводородов. В таких случаях в ближайших к местам добычи морских портах часто оборудуются нефтяные терминалы, главная задача которых - перевалка добываемой на шельфе нефти на морской, трубопроводный, железнодорожный и автомобильный транспорт. Одним из таких терминалов является Де-Кастри в Хабаровском крае, запущенный в эксплуатацию в 2006 г. в рамках реализации проекта «Сахалин -1». Добываемая на шельфе о. Сахалина нефть поступает по трубопроводам на терминал, где накапливается в береговых хранилищах, а далее отгружается на морские танкеры. При этом средний грузооборот терминала Де-Кастри составляет 9,5-12 млн тонн в год [1].
Перевалка нефтепродуктов с танкеров и бункеровка судов в морских портах, как правило, осуществляется в отведенных местах - разгрузочных пунктах. Зачастую разгрузочные пункты подвержены хроническому загрязнению нефтепродуктами, попадающими в морскую среду в результате аварий, несанкционированного сброса льяльных вод и образования протечек топлива
(разливы нефти малой интенсивности) [2]. Как показали исследования в разгрузочных пунктах в бухте Авачинская губа, значительное количество загрязняющих веществ, содержащихся в поверхностных водах под слоем пленки нефтепродуктов, накапливается в донных отложениях на месте разлива. Концентрация нефтепродуктов в донных отложениях в некоторых разгрузочных пунктах в 4,6 раза превышала максимальную концентрацию загрязняющего вещества в пробах донных отложений из других районов бухты [3]. Таким образом, результаты исследований указывают на прямую связь между общим состоянием отдельных районов водного объекта (в рассмотренном случае - разгрузочных пунктов с повышенной антропогенной нагрузкой) и содержанием загрязняющих веществ в донных отложениях этих районов.
Помимо результатов научных исследований, такая связь подтверждается и руководящими документами в области мониторинга состояния водных объектов. Так, в руководящем документе отмечено [4]: «...донные отложения являются важнейшей составляющей водных объектов, в значительной степени определяющей их состояние. В донных отложениях происходит аккумуляция большей части загрязняющих веществ, которые при определенных условиях могут переходить в водную толщу, вызывая ее вторичное загрязнение. Загрязненные донные отложения обычно токсичны и, являясь средой обитания многочисленных классов бентофауны, влияют на их видовой состав, бионакопление наиболее опасных веществ, нарушение цепи биоценоза. Поэтому информация о состоянии водных объектов без учета загрязненности их донных отложений может быть ошибочной».
Таким образом, очевидно, что анализ донных отложений является обязательным при проведении мониторинга водных объектов, экологических исследований, расследовании аварий и фактов загрязнений. Для проведения качественного и количественного анализа необходимо выполнить отбор проб и образцов донных отложений. Для этого требуются соответствующие технические средства, которые выбирают исходя из целей и задач исследования. Так, при оценке поверхностного распределения загрязняющих веществ (например, нефтепродуктов) и для определения степени загрязненности дна в настоящее время пробы отбирают из поверхностного слоя донных отложений. Для этого используют дночерпатели и драги. При определении распределения веществ в толще донных отложений (например, тяжелых металлов) и при исследовании распределения загрязняющих веществ по годам пробы отбирают по слоям донных отложений, применяя стратиметры и трубки различных конструкций [5].
В Камчатском крае отбор проб донных отложений проводится федеральным бюджетным учреждением «Камчатская дирекция по техническому обеспечению надзора на море». Работы выполняются в рамках осуществления уставных функций учреждения (информационное и лабора-торно-аналитическое и техническое обеспечение надзора на море и др.). Так, например, в 2009 г. с участием учреждения было реализовано природоохранное мероприятие «Установление источников повышенного риска и оценка воздействия на морскую акваторию Авачинской губы в районах мест бункеровки, разработка программы благоустройства мест бункеровки с целью пред упреждения ЧС(Н)», в рамках которого проводилось комплексное обследование разгрузочных пунктов с отбором проб донных отложений. Устройства для отбора проб донных отложений выбирали исходя из целей и задач исследований и состава привлекаемых к работам технических средств. Так как обследование проводилось с применением водолазных работ, то и отбор проб донных отложений производился водолазом одновременно с другими работами. Для этого использовался «Универсальный пробоотборник воды и донных отложений, арт. 12.42», производитель - фирма «Буке1катр», Нидерланды.
В процессе отбора проб были выявлены некоторые конструктивные недостатки указанного пробоотборника. Кроме того, водолазные работы дорогостоящи, и их применение специально для отбора проб экономически нецелесообразно. Без водолаза использовать пробоотборник в разгрузочных пунктах в настоящее время не представляется возможным, так как его максимальная рабочая глубина не превышает 5 м. В 2011 г. во время работы в местах аварийных разливов нефтепродуктов предпринимались попытки применения устройства для отбора проб донных отложений, способного работать без привлечения водолаза. С борта катера использовалось устройство «Трубка ГОИНа ТГ-1,5», производитель - ООО «Гидрометеоприбор», г. Санкт-Петербург. Был выявлен ряд недостатков указанного устройства, что позволило, с одной стороны, сделать вывод об ограниченной возможности его применения, а с другой - сформулировать более конкретные требования к устройствам для отбора проб донных отложений.
По выявленным на практике критериям был осуществлен поиск имеющихся на рынке устройств по отбору проб донных отложений, собрана информация об их технических характеристиках, возможностях, конструкции и принципе действия. Информация о результатах такого поиска представлена в таблице.
Обзор существующих устройств по отбору проб донных отложений
№ п/п Название (производитель) Принцип действия Преимущества (выявленные при эксплуатации или по техническому описанию устройства) Недостатки (выявленные при эксплуатации или по техническому описанию устройства)
1 Универсальный пробоотборник арт. 12.42 («Бу-ke1kamp», Нидерланды) Вводится в грунт на жесткой штанге вручную. Пробоотборная трубка сверху запирается перемещаемым вручную поршнем, снизу не запирается Выявленные при эксплуатации: 1) прозрачные пробоотборные трубки легко заменяются и запираются, удобно транспортируются, позволяют визуально оценивать структуру образцов; 2) материалы не подвержены коррозии, легко отмываются; 3) простота и удобство использования, прочность и надежность конструкции; 4) возможность отбора вязких донных отложений без перемешивания слоев Выявленные при эксплуатации: 1) глубина пробоотбора не более 5 м, на большей глубине требуется привлечение водолаза; 2) нижняя часть пробоотборной трубки не запирается, что ведет к потере образцов грунтов низкой вязкости во время подъема; 3) высокая стоимость
2 Пробоотборник Бикера арт. 04.23.SA («Буке1катр», Нидерланды) Вводится в грунт на жесткой штанге вручную, может добиваться кувалдой. Пробоотбор-ная трубка сверху запирается перемещаемым вручную поршнем, снизу - пневматической резиновой мембраной, накачиваемой воздухом от переносного компрессора Выявленные по описанию устройства: 1) прозрачные пробоотборные трубки легко заменяются и запираются, удобно транспортируются, позволяют визуально оценивать структуру образцов; 2) материалы не подвержены коррозии, легко отмываются; 3) возможность запирания нижней части трубки, что исключает потерю образцов при подъеме; 4) возможность отбора донных отложений без перемешивания слоев Выявленные по описанию устройства: 1) глубина пробоотбора не более 5 м, на большей глубине требуется привлечение водолаза; 2) пневматическая система усложняет конструкцию и уменьшает надежность; 3) резиновая мембрана подвержена повреждениям; 4) высокая стоимость
3 Трубка ГОИНа ТГ-1 или ТГ-1,5 (ООО «Гидро-метеоприбор», Санкт-Петербург) Тяжелая (14,5-19 кг) стальная трубка, врезается в грунт под действием собственного веса при свободном падении в воде. Трубка запирается сверху клапаном, снизу не запирается Выявленные при эксплуатации: 1) возможно использование устройства без привлечения водолазов; 2) простота конструкции; 3) возможность отбора донных отложений без перемешивания слоев; 3) невысокая стоимость Выявленные при эксплуатации: 1) нижняя часть пробоотборной трубки не запирается, что ведет к потере образцов грунтов низкой вязкости; 2) материалы изготовления подвержены коррозии, после каждого использования необходима консервация/расконсервация; 3) наконечник трубки выполнен из мягкого материала и требует постоянного ремонта из-за повреждений о камни и твердые предметы на дне; 4) большие масса и габариты затрудняют транспортировку и использование
4 Дночерпатель штанговый «ГР-91» (ООО «Гидро-метеоприбор», Санкт-Петербург) Заборный ковш подносится ко дну на жесткой штанге. Ковш закрывается пружинным силовым приводом, активируемым с помощью троса Выявленные по описанию устройства: 1) простота и компактность конструкции; 2) невысокая стоимость Выявленные по описанию устройства: 1) максимальная глубина отбора проб не превышает 4 м; 2) невозможность отбора проб с сохранением структуры слоев донных отложений
Окончание табл.
№ п/п Название (производитель) Принцип действия Преимущества (выявленные при эксплуатации или по техническому описанию устройства) Недостатки (выявленные при эксплуатации или по техническому описанию устройства)
5 Ковшовые дночерпатели различных производителей («ковш Ван Вина», «Еу-ке1катр», Нидерланды; дно-черпатель бентосный ООО «Гидрометео-прибор», Санкт-Петербург) С помощью крюка ковш удерживается в раскрытом состоянии. Ковш плавно опускается на дно водоема. При соприкосновении с дном крюк высвобождается и створки ковша плотно захлопываются под действием веса грузов. При подъеме створки ковша стягиваются тросом Выявленные по описанию устройства: 1) относительная простота конструкции; 2) возможность работы на больших глубинах; 3) невысокая стоимость устройств отечественного производства Выявленные по описанию устройства: 1) невозможность отбора проб с сохранением структуры слоев донных отложений; 2) возможно вымывание образца при подъеме; 3) твердые частицы, камни, попавшие между створками ковша, могут препятствовать его плотному закрытию
6 Дночерпатели трубчатые типа «ДТ-3» (ООО «Экотек-никс», Москва) Пробоотборник врезается в грунт под действием собственного веса при свободном падении в воде. Дно-черпатель обеспечивает сохранность пробы (автоматическая герметизация пробоотборника подпружиненной крышкой) Выявленные по описанию устройства: 1) удобные в работе взаимозаменяемые трубчатые пробоотбор-ные камеры из оргстекла или нержавеющей стали; 2) возможность запирания нижней части пробоотборника, что исключает потерю образцов при подъеме; 3) возможность отбора донных отложений без перемешивания слоев Выявленные по описанию устройства: 1) при отборе проб донных отложений малой вязкости возможна потеря образца в момент отделения пробоотборника от дна; 2) высокая стоимость
Анализ собранной информации позволяет сделать вывод, что представленные на рынке устройства для отбора проб донных отложений обладают теми или иными недостатками, которые существенно затрудняют их использование для проведения исследований морских водных объектов. Например, устройства штангового типа (трубчатые пробоотборники фирмы «Еуке1катр», дночерпатель «ГР-91») не удовлетворяют требованиям по рабочей глубине. Максимальная глубина отбора проб такими устройствами не превышает 5-5,5 м, в то время как глубина водного объекта в разгрузочных пунктах даже непосредственно возле причала составляет минимум 6-8 м, а на рейде может достигать 25-28 м. Проблемой устройств трубчатого типа является отсутствие или несовершенство конструкции механизма запирания нижней части пробоотборной трубки, что часто ведет к потере образца при подъеме на поверхность. Ковшовые дночерпатели позволяют успешно решать задачи лишь в тех случаях, когда не требуется проводить отбор проб с сохранением слоев донных отложений.
Из предлагаемых устройств наиболее перспективным представляется трубчатый дночерпатель «ДТ-3», так как он, в соответствии с предоставленным производителем описанием, лишен большинства характерных недостатков и обладает достаточной универсальностью. Тем не менее фактическая пригодность дночерпателей «ДТ-3» (с комплектом дополнительных приспособлений) для отбора проб донных отложений в прикамчатских морских водах может быть проверена только на практике, что затруднено высокой стоимостью и длительными сроками изготовления этого устройства.
В процессе поиска существующих устройств для отбора проб донных отложений также встречалась информация об устройствах, которые были разработаны, изготовлены и опробованы на практике, но в серийное производство и свободную продажу не внедрены. Как правило, такие устройства изготавливаются (в том числе по индивидуальному заказу) в единичных экземплярах и используются различными научно-исследовательскими и проектными организациями для конкретных целей. Большую группу таких устройств составляют пробоотборники, предназначенные для морских инженерно-геологических изысканий. Они характеризуются большими габаритами и массой (от 150 кг), зачастую для их работы требуется электроэнергия или сжатый воздух, поэтому использоваться они могут только с борта судна, оборудованного соответствующими гру-
зоподъемными устройствами и энергетическими системами. Применение таких тяжелых технических средств для отбора проб донных отложений в портовых акваториях и разгрузочных пунктах нецелесообразно или затруднительно.
Для проведения экологических исследований морских водных объектов в прибрежной и портовой зоне требуются устройства небольшой массы и габаритов, способные работать с малых плавсредств и с причала. Указанным требованиям соответствует пробоотборник СПРУТ-2, информация о котором представлена в [6]. Это устройство используется в научно-исследовательских и учебных целях. Пробоотборник СПРУТ-2 выгодно отличается от других подобных устройств рядом конструктивных особенностей (сегментный отсечной механизм в нижней части пробоотборника, быстросъемные пробоотборные гильзы из оргстекла, возможность использования пробоотборника как на очень мягких осадках, так и на плотных грунтах). Вместе с тем пробоотборник СПРУТ-2 выпускался в единичном или мелкосерийном производстве, поэтому он не доступен для свободного приобретения всеми заинтересованными организациями. Очевидно, что помимо разработки и испытаний устройств по отбору проб донных отложений не менее важными задачами являются их внедрение и обеспечение свободного доступа к ним.
Таким образом, донные отложения - один из важнейших показателей в оценке загрязненности морских водных объектов. Для качественной оценки их экологического состояния и последующего мониторинга, включающего количественный химический и биологический анализ, необходим отбор проб донных отложений. Существующие устройства для отбора проб донных отложений обладают различными недостатками, которые существенно усложняют их использование для исследований прибрежных и портовых районов морских водных объектов. Поэтому актуальной задачей является разработка, испытание и внедрение устройств по отбору проб донных отложений, имеющих улучшенные характеристики по сравнению с существующими. При этом разрабатываемые устройства должны соответствовать следующим основным требованиям:
1. Возможность работы на глубинах до 100 м.
2. Способность отбирать пробы как с поверхностного слоя донных отложений, так и с сохранением послойной структуры.
3. Способность работы на донных грунтах различного гранулометрического состава и плотности.
4. Масса и габариты устройства должны позволять работать с малых плавсредств и с причала. Устройство должно обслуживаться одним-двумя операторами и работать без привлечения водолаза.
5. Конструкция должна обеспечивать сохранность пробы при подъеме на поверхность.
6. Материалы изготовления должны быть химически нейтральными, легко очищаться, обладать коррозионной стойкостью.
7. Конструкция должна обладать достаточной простотой и невысокой стоимостью для изготовления в серийном производстве.
Разработка, испытания и внедрение устройств по отбору проб, отвечающих указанным требованиям, позволит с высокой эффективностью проводить исследования донных отложений в прибрежных и портовых районах морских водных объектов и достоверно определять экологическое состояние мест высокой антропогенной нагрузки.
Литература
1. Патин С.А. Нефтяные разливы и их воздействие на морскую среду и биоресурсы. - М.: ВНИРО, 2008. - 508 с.
2. Касперович Е. В. Техногенное влияние морских транспортных средств на состояние экосистем прикамчатских вод: автореф. дис. ... канд. биол. наук. - Петропавловск-Камчатский, 2011. - 28 с.
3. Касперович Е.В. Загрязнение поверхностных слоев Авачинской губы в районах разливов нефтепродуктов // Природные ресурсы, их современное состояние, охрана, промысловое и тех -ническое использование: материалы IV всерос. науч.-практ. конф. - Петропавловск-Камчатский: КамчатГТУ, 2013. - С. 170-172.
4. РД 52.24.609-2013 Организация и проведение наблюдений за содержанием загрязняющих веществ в донных отложениях водных объектов.
5. ГОСТ 17.1.5.01-80 Охрана природы. Гидросфера. Общие требования к отбору проб донных отложений водных объектов для анализа на загрязненность.
6. Бураева Е.А. Учебно-методическое пособие к курсу «Радиоэкология» для студентов физического факультета, обучающихся по специальности основного профессионального образования «Радиационная безопасность человека и окружающей среды». Лабораторный спецпрактикум (Методика пробоотбора) [Электронный ресурс]. - Ростов н/Д.: 2007. - URL: http://sfedu.ru/www/umr.umr_show?p_startpage=2&p_umr_name=&p_umr_author=&p_umrc_id=&p_ umrr_id=&p_per_id=5827.
УДК 62
О.А. Белов
Камчатский государственный технический университет, Петропавловск-Камчатский, 683003 e-mail:beloff.oa@gmail.ru
ОЦЕНКА ТЕХНИЧЕСКОЙ ГОТОВНОСТИ СИСТЕМЫ С УЧЕТОМ ВЛИЯНИЯ ЧЕЛОВЕЧЕСКОГО ФАКТОРА
Человеческий фактор в любой технической системе является слабоформализуемым явлением и неизбежно делает все такие системы вероятностными. Для определения степени готовности системы и оценки ее технического состояния, наряду с традиционными показателями, необходимо учитывать влияние человеческого фактора. Исходя из вероятностной природы этого явления, обычные методы оценки технической готовности оказываются неэффективными. В статье предлагается методика оценки технической готовности системы с учетом человеческого фактора.
Ключевые слова: вероятностный подход, техническая готовность, человеческий фактор, статистическая модель, вариация, коэффициент равномерности, профессиональная подготовка, уровень готовности, прогнозирование.
O.A. Belov (Kamchatka State Technical University, Petropavlovsk-Kamchatsky, 683003) The estimation of technical readiness of the system under the human factor influence
The human factor in any technical system is a weakly formalizable phenomenon which inevitably makes such systems probabilistic. The human factor influence along with the other conventional factors must be taken into account for the determination of the readiness level of the system and the estimation its technical condition. Taking into account the probabilistic nature of the given phenomenon, conventional methods of the estimation of the technical readiness turn out to be ineffective. The article presents estimation approach of the technical readiness under the human factor influence.
Key words: probabilistic approach, technical readiness, the human factor, the statistical model, variation, the uniformity factor, vocational training, the readiness level, forecasting.
Вероятностные свойства системы, в основе которой лежит диалектическое единство случайного и закономерного, сохраняются при любом уровне изученности системы и при любых методах управления ею. То обстоятельство, что управление процессами обеспечения технической готовности включает в себя в качестве неотъемлемого элемента людей, а функционирование любой системы происходит в процессе принятия этими людьми множества решений, неизбежно делает все такие системы вероятностными. Вероятностный подход, то есть учет роли случайности в формировании изучаемых показателей, их вероятностной природы, отнюдь не тождественен построению вероятностных математических моделей. Это методологический принцип, основанный на определенной массовости и устойчивости явлений, связанных с обеспечением технической готовности и процессами подготовки обслуживающего персонала [1].
