CC BY
19
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Мазур Владимир Валерьевич, младший научный сотрудник лаборатории земледелия, агрохимии и защиты растений ФГБНУ ФНЦ ВНИИ сои (675027, Россия, Амурская область, г. Благовещенск, Игнатьевское шоссе, д. 19), тел. +79140600176, e-mail: mavv@vniisoi.ru
Кувшинов Алексей Алексеевич, научный сотрудник лаборатории механизации и автоматизации растениеводства ФГБНУ ФНЦ ВНИИ сои (675027, Россия, Амурская область, г. Благовещенск, Игнатьевское шоссе, д. 19), кандидат технических наук, тел. +79143957325, e-mail: kyaa@vniisoi.ru
DOI: 10.32786/2071-9485-2022-04-61 ORGANIZATION OF BIOSPHERE MONITORING IN THE INTERNAL WATER
BODITS OF THE SOUTH OF RUSSIA
M. K. Tikhonova, L. N. Medvedeva
All-Russian Research Institute of Irrigated Agriculture, Volgograd Received 17.09.2022 Submitted 02.12.2022
The authors are grateful for the financial support of the project "Conceptual and methodological foundations for the formation of an ecological ecotone on water management systems with the construction of agent-based models of biospheric monitoring and bioremediation " (No. 6 of December
20, 2021).
Abstract
Introduction. The relevance of the study is explained by the need to improve scientific approaches to organizing biospheric monitoring of water bodies located in the South of Russia, where there is high insolation, low humidity and increased anthropogenic load. The development of conceptual approaches to monitoring research and the use of environmentally friendly technologies in ensuring the ecological state of the reservoirs of the Volga-Don Shipping Canal named after V. I. Lenin made it possible to justify the use of smart technologies and tools. Taking into account the growing human economic activity, the key requirements for the organization of monitoring are mobility and efficiency, automated processing and storage of the received data. Ecosystem management and maintenance at a highly productive level can be achieved by establishing certain relationships between the main hydrobionts, organizing the "launch" of self-cleaning technologies, and algolization with the help of microalgae Chlorella vulgaris. The object of research is the state of water and biological resources in the Varva-rovsky and Bereslavsky reservoirs, which are part of the Volga-Don Shipping Canal named after V. I. Lenin, built more than 70 years ago. Materials and methods. Expeditionary and laboratory studies carried out at the Varvarovsky and Bereslavsky reservoirs included: determination of water quality for heavy metals, mineralization, presence of turbidity and gas regime. The study of zooplankton was reduced to identifying the main groups of living organisms that dominate during the summer season in reservoirs, the state of blue-green algae that create the "blooming effect" of the reservoir. The introduction of Chlorella vulgaris was carried out at one point. Results and conclusions. In the course of the study, results were obtained confirming that the state of water in the Varvarovsky and Bereslavsky reservoirs meets environmental standards and can be used for economic purposes. The developed automated online floating facility will speed up the process of biospheric monitoring and ensure efficiency in decision-making. The ongoing algolization of the reservoir of microalgae Chlorella vulgaris has expanded the understanding of the effectiveness and improvement of biotechnology.
Key words: reservoirs, biospheric monitoring, analysis of water quality and bioresources, water "blooming" effect, blue-green algae, zooplankton, Chlorella vulgaris.
Citation. Tikhonova M. K., Medvedeva L. N. Organization of biospheric monitoring in inland water bodies of the South of Russia. Proc. of the Lower Volga Agro-University Comp. 2022. 4(68). 523-534 (in Russian). DOI: 10.32786/2071-9485-2022-04-61.
Author's contribution. All authors of this study were directly involved in the planning, execution or analysis of this study. All authors of this article reviewed the submitted final version and approved it.
Conflict of interests. The authors declare no conflict of interest.
УДК 631.95
***** ИЗВЕСТИЯ *****
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: № 4 2022
НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
ОРГАНИЗАЦИЯ БИОСФЕРНОГО МОНИТОРИНГА НА ВНУТРЕННИХ ВОДОЕМАХ ЮГА РОССИИ
М. К. Тихонова, кандидат сельскохозяйственных наук Л. Н. Медведева, доктор экономических наук
ФГБНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт орошаемого
земледелия», г. Волгоград
Дата поступления в редакцию 17.09.2022 Дата принятия к печати 02.12.2022
Авторы выражают благодарность за финансовую поддержку проекта «Концептуально-методологические основы формирования экологического экотона на водохозяйственных системах с построением агент-ориентированных моделей биосферного мониторинга и биоремедиации» (№ 6 от 20 декабря 2021 года)
Актуальность исследования объясняется необходимостью совершенствования научных подходов организации биосферного мониторинга за водными объектами, расположенными на Юге России, где высокая инсоляция, низкая влажность и усиление антропогенной нагрузки. Разработка концептуальных подходов к проведению мониторинговых исследований и применению природосберегающих технологий в обеспечении экологического состояния водоемов Волго-Донского судоходного канала (ВДСК) позволила обосновать применение умных технологий и средств. С учетом возрастающей хозяйственной деятельности человека ключевыми требованиями к организации мониторинга становятся мобильность и оперативность, автоматизированная обработка и хранение полученных данных. Управление экосистемой и поддержание её на высокопродуктивном уровне можно достичь за счет установления определенных взаимоотношений между основными гидробионтами, организацию «запуска» самоочищающихся технологий, проведение альголизации с помощью микроводоросли Chlorella vulgaris. Объектом исследований является состояние водных и биологических ресурсов в Варваровском и Бере-славском водохранилищах, входящих в состав Волго-Донского судоходного канала им. В. И. Ленина (ВДСК), построенного более 70 лет назад. Материалы и методы. Экспедиционные и лабораторные исследования, проводимые на Варваровском и Береславском водохранилищах, включали: определение качества воды на тяжелые металлы, минерализацию, наличие мутности и состояние газового режима. Изучение зоопланктона сводилось к выявлению основных групп живых организмов, доминирующих в течение летнего сезона в водохранилищах, состоянию синезеленых водорослей, создающих «эффект цветения» водоема. Вселение Chlorella vulgaris производилось в одной точке. Результаты и выводы. В ходе исследования были получены результаты, подтверждающие, что состояние воды в Варваринском и Береславском водохранилищах отвечает экологическим нормам и может использоваться в хозяйственных целях. Разработанное автоматизированное плавсредство, работающее в режиме онлайн, позволит ускорить процесс, проведения биосферного мониторинга и обеспечить оперативность в принятии решений. Проводимая альголизация водоема микроводорослей Chlorella vulgaris расширила представления об эффективности и совершенствовании биотехнологии.
Ключевые слова: водохранилища, биосферный мониторинг, анализ качества воды, «эффект цветения» воды, синезеленые водоросли, зоопланктон, Chlorella vulgaris.
Цитирование. Тихонова М. К., Медведева Л. Н. Организация биосферного мониторинга на внутренних водоемах Юга России. Известия НВ АУК. 2022. 4(68). 523-534. DOI: 10.32786/20719485-2022-04-61.
Авторский вклад. Все авторы настоящего исследования принимали непосредственное участие в планировании, выполнении или анализе данного исследования. Все авторы настоящей статьи ознакомились с представленным окончательным вариантом и одобрили его.
Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
524
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Введение. Волгоградская область в южной части - территория степей и полупустынь с резко выраженным континентальным климатом, малым количеством осадков (от 250 до 350 мм) и высокой испаряемостью (800-1000 мм). По данным Комитета природных ресурсов, лесного хозяйства и экологии Волгоградской области в регионе расположены более 6 тыс. озёр и искусственных водоёмов, общей площадью около 4,2 тыс. км2. Водохранилища: Карповское, Варваровское и Береславское, образованные в результате строительства Волго-Донского судоходного канала им. В. И. Ленина (ВДСК), построенного в 1952 году, имеют важное значение для водохозяйственной деятельности человека и требуют постоянного мониторинга за экологическим состоянием (таблица 1) [1, 2].
Таблица 1 - Основные показатели водохранилищ ВДСК (Водное хозяйство)
Table 1 - Main indicators of reservoirs of the Volga-Don Shipping Canal
_named after V. I. Lenin (Vodnoe khozyaystvo)_
Наименование Площадь водного зеркала при НПУ, км2 Объем, млн. м Река, образующая водохранилище
полный полезный
Карповское 42,0 155,0 40,0 Карповка
Варваровское 26,7 125,0 26,6 Червленная
Береславское 15,2 52,5 13,4 Червленная
ВДСК это сложный природно-геологический объект с максимальной высотой от уреза р. Волги до 9 шлюза - 88 м, а от зеркала Цимлянского водохранилища до того же шлюза - 44 м. Также в состав Волго-Донского канала входят: Цимлянский гидроузел, 13 шлюзов, 22 судоходных канала, которые наполняются водой из Дона, 3 плотины, 17 дамб, 2 аварийно-ремонтных заграждения, несколько насосных станций (рисунок 1,2) [1, 14].
Рисунок 1 - Схема Волго-Донского судоходного канала им. В. И. Ленина, расположенного
на территории Волгоградской области
Figure 1 - Scheme of the Volga-Don navigable canal V. I. Lenin, located on the territory of the
Volgograd region
При заполнении канала вода сначала поступает в Карповское водохранилище (длина - 15 км, ширина - 3 км, площадь - 27 (42) км2), затем в Варваровское (длина - 18 км, ширина - 6 км, площадь - 27 км2), последним идет Береславское водохранилище (длина - 9 км, ширина - 2,5 км, площадь - 16 км2). Вода из водохранилищ используется для орошения, рыбоводства, хозяйственных и питьевых нужд населения [4]. С учетом возрастающей антропогенной нагрузки увеличивается необходимость наблюдения за процессами, протекающими в водоемах. Экологический подход позволяет оценивать биосферный статус водоема и степень уклонения от некоторого оптимального состояния (например, зарастание берегов растительностью), сделать вывод об интенсивности воз-
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
действия внешних факторов [3, 8, 11]. Компьютерное моделирование позволяет определить состояние всех биологических групп водоема, выделить доминирующие [5]. Не менее важным остается отслеживание эффекта «цветения водоемов» [10]. При массовом развитии синезелёных водорослей (лат. Cyanobacteria) в водоёме наблюдается снижение содержания растворенного кислорода (менее 6,0 мг/дм3), появляются нейротоксины, которые вызывают гибель рыб и гидробионтов [10]. Актуальность наблюдения за «эффектом цветения» объясняет также факт, что в 2002 году ВОЗ ввела в Международный стандарт по качеству питьевой воды раздел: «Токсичные цианобактерии в воде» [13, 15]. Одним из методов улучшения качества воды в водоёмах является - альголизация, которая обеспечивает восстановление гидробионтов-фильтратов [15]. В течение многих лет учеными ФГБНУ ВНИИОЗ апробируется метод альголизации - вселение Chlorella Vulgaris в водохранилища Волгоградской области, в результате которого наблюдается улучшение качества воды по газовому режиму, содержанию растворенного кислорода, органических веществ, общего эколого-санитарного состояния [10]. Дистанционный мониторинг позволяют не только определить площадь и глубину зарастания водоемов, а также физико-химические свойства воды, а режиме «on-line» исследовать влияние эвтрофного загрязнения на водные экосистемы [5, 12, 13]. Свойства и качество воды зависят от состава и концентрации содержащихся в ней веществ. Теоретические и экспериментальные основы исследования водных экосистем разработаны: Г. Г. Винбергом, С. Н. Скадовской, Е. А. Тимофеевой, В. В. Мелиховым. Учеными под руководством Ю. А. Израэля были разработаны основные представления о мониторинге как о системе непрерывного наблюдения, изменения, оценки состояния окружающей среды, а также обеспечения рационального использования водоемов. Целью исследования является формирование научных подходов к проведению мониторинга и альголизации водоемов.
Рисунок 2 - Основные шлюзы Волго-Донского судоходного канала им. В. И. Ленина: А - 1-й шлюз; В - 10-й шлюз; С - 13-й шлюз; D - 15-й шлюз
Figure 2 - The main locks of the Volga-Don Shipping Canal named after V. I. Lenin: A - 1st lock; B
10th lock; C - 13th lock; D - 15th lock
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Материалы и методы. Научный подход к применению биосферного мониторинга объединяет два направления. Первое, обеспечивает детальные инструментальные измерения показателей водной среды на наземных станциях, постах и в лабораториях. Второе, дистанционное, включает съемки с самолетов, космических летательных аппаратов и проведение спектрофотометрического анализа воды и биоресурсов. Для дистанционного анализа водной среды используются визуальные наблюдения (при длине волны - 0,40-0,64 мкм), фотографирование (0,45-0,92 мкм), инфракрасное (0,72-14,0 мкм) спектрофотомет-рирование (0,4-0,7 мкм) исследования. Оценка масштабов, уровня и характера «цветения» воды осуществляется визуально по акватории водоема с отбором проб в поверхностных слоях воды, с взвешиванием сестона, проведением анализов в специальных счетных камерах. Объектом исследования стали водные и биологические ресурсы Варваровского и Бе-реславского водохранилищ, расположенных в Волго-Донском междуречье. При исследовании использовались материалы комитета природных ресурсов, лесного хозяйства администрации Волгоградской области, научные публикации, материалы многолетних экспедиций ФГБНУ ВНИИОЗ (Волгоград). На рисунке 3 отмечены места взятия проб воды, биоресурсов, а также проведения альголизации.
Рисунок 3 - Водохранилища, входящие в состав ВДСК с постами мониторинга и вселения штамма Chlorella vulgaris ИФР № С-111: А - Карповское, В - Береславское, С - Варваровское 1,2,3,4,5 - посты сбора материала; 5 - пост вселения штамма Chlorella vulgaris ИФР № С-111
Figure 3 - Reservoirs that are part of the Volga-Don Shipping Canal named after V. I. Lenin with monitoring points and the introduction of the Chlorella vulgaris strain IFR № С-111: A - Karpovskoe, B - Bereslavskoe, C - Varvarovskoe 1,2,3,4,5 - material collection points; 5 - point of introduction of the strain Chlorella vulgaris IFR № C-111
Фото из Интернета, космический снимок водохранилищ ВДСК, 2022 г.
Пробы воды из водохранилищ отбирались с мая по сентябрь, особое внимание было уделено гидробиологическому составу (рисунок 4).
Рисунок 4 - Места сбора биоматериалов, взятие проб воды из водохранилищ, 2022 год:
А - Варваровское, В - Береславское
Figure 4 - Biomaterial collection sites, water sampling from reservoirs, 2022: A - Varvarovskoe, B - Bereslavskoe Фото: Тихонова М.К., 2022 г.
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Химический состав взятых проб воды определялся по ГОСТам в лаборатории ФГБНУ ВНИИОЗ: натрий-ион (№) - ГОСТ 28268, 6-78, ион (Са) и магний-ион -ГОСТ 23968, 5-75, калий-ион (К) - ГОСТ 28263. 7/78, сульфат-ион ^4) - ГОСТ 438972, хлор-ион - ГОСТ 4389-72, щелочность - ГОСТ 23269-78, рН - ГОСТ 26.423-95, ГОСТ 17.1.3.07.82 «Охрана природы» Гидросфера; концентрация загрязняющих веществ - ГОСТ 4152-8, ГОСТ 18293; тяжелые металлы определялись методом гранулированного графика на ААС типа С-1. Показатель величины ионного обмена К определялся по формуле Н. Н. Антипова-Каратаева и Г. А. Кадера (1954г):
K =
rCa + rMg rNa + 0,238 S
(1)
где К - коэффициент ионного обмена; гСа, rМg, гМа - эквивалентное содержание химических элементов в воде; £ - минерализация воды, г/л.
Натрий-адсорбционное отношение рассчитывалось по формуле:
\ма + |
SAR =
Ca
2 +
+ Mg
2 +
(2)
*
Приведённый показатель SAR рассчитывался по формуле:
-И-.[1 + (8,4 - рНс)]
SAR =
У
Ca2 ]+[M
g
2
(3)
где рН - расчетная величина, учитывающая состав катионов и ее щелочность.
Качества воды по бактериальным показателям определялось с помощью таблицы (таблица 2).
Таблица 2 - Классы качества воды природных водоемов по бактериальным показателям Table 2 - Classes of water quality of natural reservoirs according to bacterial indicators
2
Показатель Классы качества воды
предельно чистая чистая удовлетворительно чистая загрязненная грязная
Численность бактерий планктона, млн. кл./мл < 0,3 0,3-1,5 1,6-5,0 5,1-11,0 > 11,0
Численность гетеротрофных бактерий, тыс. кл./мл < 0,1 0,1-1,0 1,1-5,0 5,1-10,0 > 10,0
Численность бактерий группы кишечной палочки, тыс. кл./мл < 0,003 0,003-2,0 2,1-10,0 11,0100,0 > 100,0
Для расчёта параметров вселения штамма Chlorella vulgaris ИФР № С-111 водоемы применялись программы для ЭВМ «Система искусственного интеллекта для аль-голизации пресноводных водоемов Юга России штаммом СМоге^ vulgaris ИФР № С-111 в расчете на площадь водного зеркала» (правообладатель ФГБНУ ВНИИОЗ № 2021617064 от 06.05.2021); «Моделирование параметров процесса альголизации водоема на основе определения степени адаптации Chlorella Vulgaris к воде природных и ис-
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
кусственных водоемов» (правообладатель ФГБНУ ВНИИОЗ № 2021680606 от 13.12.2021). Для вселения Chlorella vulgaris, рассматривался вариант применения автоматического плавсредства (правообладатель ФГБНУ ВНИИОЗ. Патент на полезную модель 209044 U1, 31.01.2022) (рисунок 5).
Рисунок 5 - Свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ, направленные на использование технологии альголизации и патент на полезную модель плавсредства для вселения Chlorella vulgaris водоемы
Figure 5 - Certificates of state registration of a computer program aimed at the use of algolization technology and a patent for a utility model of a watercraft for the introduction of Chlorella vulgaris
into water bodies
Результаты. Полученные в ходе исследования результаты отражены в таблицах
3, 4, 5.
Таблица 3 - Минерализация поверхностных вод Варваровского и Береславского водохранилищ
ВДСК, 2017-2021 гг.
Table 3 - Mineralization of surface waters of the Varvarovsky and Bereslavsky reservoirs
of the Volga-Don Shipping Canal named after V. I. Lenin, 2017-2021_
Место отбора проб Дата отбора р] Н Минерализация, г/дм
2017 2018 2019 2020 2021 ср. 2017 2018 2019 2020 2021 ср.
Бере-слав-ское водохранилище май 7,84 7,6 7,9 7,1 7,5 7,59 1,262 1,103 0,810 0,938 0,898 1,002
июнь 7,50 7,4 7,6 7,3 7,4 7,44 1,194 0,986 0,910 0,877 0,950 0,983
июль 7,43 7,5 7,6 7,9 7,5 7,59 1,054 0,946 0,848 0,887 0,927 0,932
август 7,40 7,8 7,3 7,5 8,2 7,64 0,669 0,919 0,723 0,748 0,779 0,768
сентябрь 7,60 7,3 6,9 7,2 7,4 7,28 0,656 0,817 0,735 0,846 0,700 0,751
Варва-ровское водохранилище май 7,56 7,7 8,2 7,1 7,3 7,57 0,934 0,794 0,826 0,879 0,806 0,848
июнь 7,50 7,4 7,2 7,4 7,6 7,42 1,194 0,829 0,824 0,839 0,906 0,918
июль 7,48 7,7 7,5 7,8 7,4 7,58 0,922 0,798 0,837 0,908 0,900 0,873
август 7,50 7,7 8,2 7,8 7,8 7,80 0,743 0,758 0,723 0,838 0,903 0,793
сентябрь 7,30 7,1 7,9 7,1 7,1 7,30 0,719 0,792 0,772 0,897 0,934 0,823
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Таблица 4 - Содержание тяжелых металлов в Береславском и Варваровском водохранилищ
ВДСК, 2017-2021 гг.
Table 4 - The content of heavy metals in the Beresla and Varvarovsky reservoirs of the Volga-Don Shipping Canal named after V. I. Lenin, 2017-2021
Дата отбора Место отбора
Береславское водохранилище Варваровское водохранилище
Тяжелые металлы, мг/дм3
Zn Cu Cd Pb Zn Cu Cd Pb
май 2017 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000
2018 0,000 0,008 0,000 0,000 0,000 0,011 0,000 0,000
2019 0,003 0,000 0,000 0,000 0,003 0,000 0,000 0,000
2020 0,001 0,001 0,002 0,000 0,002 0,005 0,000 0,000
2021 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000
июнь 2017 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000
2018 0,000 0,008 0,000 0,000 0,000 0,011 0,000 0,000
2019 0,009 0,000 0,000 0,000 0,006 0,000 0,000 0,000
2020 0,008 0,006 0,000 0,000 0,003 0,009 0,002 0,000
2021 0,002 0,003 0,000 0,000 0,011 0,004 0,000 0,000
июль 2017 0,004 0,000 0,000 0,000 0,002 0,000 0,000 0,000
2018 0,005 0,016 0,000 0,000 0,000 0,008 0,000 0,000
2019 0,008 0,004 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000
2020 0,003 0,005 0,000 0,000 0,000 0,004 0,000 0,000
2021 0,000 0,007 0,000 0,000 0,004 0,009 0,000 0,000
август 2017 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000
2018 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000
2019 0,006 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000
2020 0,010 0,001 0,000 0,000 0,006 0,000 0,000 0,002
2021 0,011 0,011 0,000 0,000 0,022 0,011 0,000 0,000
сентябрь 2017 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,004 0,000 0,000
2018 0,004 0,000 0,000 0,000 0,008 0,000 0,000 0,000
2019 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000
2020 0,002 0,000 0,000 0,000 0,004 0,003 0,000 0,000
2021 0,024 0,004 0,000 0,000 0,012 0,001 0,000 0,000
Таблица 5 - Содержание биогенных элементов в поверхностных водах Береславского и Варва-
ровского водохранилищ ВДСК, 2017-2021 гг.
Table 5 - The content of biogenic elements in the surface waters of the Bereslavsky and Varvarovsky reservoirs of the Volga-Don Shipping Canal named after V. I. Lenin, 2017 -2021
Место отбора Дата отбора Биогенные элементы, мг/дм3
NO3 Р2О5
2017 2018 2019 2020 2021 ср. 2017 2018 2019 2020 2021 ср.
Береславское водохранилище май 2,92 4,11 4,21 3,76 3,45 3,69 0,24 3,58 2,18 0,64 0,64 1,46
июнь 3,67 3,28 4,33 3,05 5,09 3,88 0,69 4,20 2,16 1,44 2,04 2,11
июль 3,94 2,74 2,48 3,94 4,03 3,43 1,08 2,96 1,40 1,36 3,32 2,02
август 4,34 3,28 2,66 4,03 4,65 3,79 1,04 1,08 2,32 0,68 4,60 1,94
сентябрь 4,34 3,18 1,50 2,26 2,79 2,81 0,56 0,68 0,40 0,48 1,04 0,63
Варваровское водохранилище май 2,92 4,34 3,68 4,03 3,14 3,62 0,20 1,44 1,20 0,64 0,48 0,79
июнь 3,01 4,34 4,22 2,92 5,44 3,99 0,78 1,44 1,28 0,96 1,20 1,13
июль 3,94 3,01 2,88 4,74 3,94 3,70 0,92 1,88 1,04 0,08 2,08 1,20
август 3,59 4,25 4,65 4,96 5,08 4,51 1,32 2,76 2,92 1,32 3,12 2,29
сентябрь 3,45 3,85 2,04 2,74 4,25 3,27 0,56 1,04 0,48 0,60 0,80 0,70
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Исследования показали, что превышения ПДК во всех взятых пробах воды не наблюдалось; концентрация нитратного азота колебалась в широких пределах, но не превышала в среднем ПДК; неорганические формы были представлены фосфатами, которыми питается фитопланктон и фитобентос. Среднегодовая минерализация воды в Вар-варовском и Береславском водохранилищах за период с 2014 по 2022 год повышалась до 0,87 и 0,98 г/дм и была выше, чем в р. Дон (0,38 до 0,55 г/дм . По показателю величины ионного обмена воды Варваровское и Береславское водохранилища (К > 1) пригодны для орошения, по показателю натрий-адсорбционного отношения (SAR < 10) хорошего качества. Определение тяжелых металлов в поверхностных водах не выявило превышения порога допустимой концентрации ПДК: свинец - высокотоксичный элемент (ПДК - 0,03 мг/дм3), кадмий, относящийся к классу высоко-опасных металлов (ПДК не более 0,01 мг/дм3), медь - умеренно-опасный металл (ПДК - 0,2 мг/дм3), цинк (малоопасный элемент) (ПДК составляет 1,0 мг/дм3). Показатели качества воды Варваровского и Береслав-ского водохранилищ соответствовали требованиям ГОСТ 17.1.2.03-90 по использованию воды для орошения и питьевых целей. В весенний период в составе альгофлоры наблюдалось значительное разнообразие водорослей. Наиболее значимые среди них: синезеле-ные - Microcystis aeruginosa Kutz. Emend. Elenk., M. pulverea (Wood) Forti emend. Elenk, Oscillatoria amphibia Ag., Pseudoanabaena galeata Bocher; золотистые - Dinobryon divergens Imh. : диатомовые - представители рода Stephanodiscus (Stephanodiscus hantzschii Grun., S. parvus Stoermer et Hakansson и S. hantzschii f. tenuis (Hust.) Hakansson et Stoermer), Synedra acus Kutz; криптофитовые - Chroomonas acuta Uterm.; зеленые -Chlorella vulgaris. Максимальная численность сине-зелёных водорослей была отмечена в Варваровском водохранилище. Мониторинг за качеством воды показал, что кислородный режим в водоёмах остается благоприятным для жизнедеятельности гидробионтов в течение всего вегетационного периода. В апреле содержание растворенного в воде кислорода составляет - 7,22 мг/дм3; летом, в период наибольшего продуцирования его концентрация в различных точках наблюдения находилась в пределах от 6,07 до 7,92 мг/дм3; осенью содержание растворенного в воде кислорода несколько увеличивалось и достигало: 8,45-9,50 мг/дм3. Различие в содержании кислорода на поверхности и у дна составляла не более 1 мг/дм3 . Динамику зоопланктона водоемов ВДСК анализировали с июня по август, был отмечен рост летней биомассы зоопланктона и средние значения (2,1 ± 0,5 г/м ) выше в 2,6 раза отмеченных в 1972-2013 гг. (0,8 ± 0,1 г/м ). Количество зоопланктона в водоемах ВДСК существенно выше по сравнению с другими водохранилищами аридной зоны Волгоградской области (таблица 6) [1, 13].
Таблица 6 - Состояние зоопланктона в поверхностных водах Береславского и Варваровского
водохранилищ ВДСК, 2021 г.
Table 6 - The state of zooplankton in the surface waters of the Bereslavsky and Varvarovsk reservoirs _of the Volga-Don Shipping Canal named after V. I. Lenin, 2021._
Место отбора Зоопланктон
Cladocera Cyclopoida Calanoida Rotifera Dreissena veliger
Численность, тыс. экз./м3
Береславское 87 ± 45 238±149 <1 69 ± 49 <0,5
Карповское 83 ± 41 221±132 <1 65 ± 47 <0,4
Варваровское 81 ± 40 217±129 <1 61 ± 44 <0,4
Биомасса, г/м3
Береславское 1,16 ± 0,70 1,21 ± 0,69 <0,01 0,07 ± 0,05 <0,01
Карповское 1,11 ± 0,65 1,19 ± 0,63 <0,009 0,05 ± 0,03 <0,009
Варваровское 1,10 ± 0,62 1,16 ± 0,609 <0,007 0,04 ± 0,02 <0,008
Анализ полученных данных указывает на то, что с каждым годом происходит малозаметное, но все-таки необратимые процессы ухудшения экологической обстановки.
531
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Обсуждение. В настоящее время для организации мониторинга используются различные приборы: термооксиметры, РН-метры, метеостанции, датчики уровня воды, надводные и подводные видеокамеры, программы с базами данных [5, 7]. Вместе с тем, применение стационарных постов гидрохимического мониторинга не позволяет охватить все водные объекты, на которых требуется проводить исследования за качеством воды, а расширение сети стационарных постов достаточно затратно. Традиционные методы мониторинга с отбором проб и их анализом в стационарных или полевых лабораториях также не лишены недостатков, так как требует выдвижения к водному объекту квалифицированных сотрудников, использование лодочных средств и значительного количества приборов. При проведении анализов в стационарных лабораториях значительно увеличивается время получения результатов, что может дать неверную оценку экологической ситуации. Развитие умных технологий позволяет передать функции мониторинга роботизированным мобильным комплексам, способным проводить экспресс-анализ параметров воды, оперативно, с привязкой к конкретному водному объекту, передавать информацию на компьютер, сохранять и архивировать данные. Учеными ФГБНУ ВНИИОЗ и Волжского политехнического института (филиал) ВолгГТУ в 2022 году было разработано плавсредство, способное в режиме онлайн передавать данные о состоянии воды и биоресурсов по 16 показателям, в их числе: рН среды, температура, мутность жидкости (мг/л), удельная электропроводимость, минерализация, общее количество растворенных твердых веществ и др. В качестве основы конструкции дистанционно управляемого, автоматизированного плавсредства был выбран катамаран, состоящий из двух гидродинамически обтекаемых корпусов и размещенных на них рубке управления: блок-системы управления плавсредством с интегрированной системой геолокационного позиционирования; механизм поворота и блоком датчиков для мониторинга параметров воды; блок беспроводной передачи информации с датчиков мониторинга параметров воды на удаленное устройство. Питание плавсредства обеспечивается возобновляемыми источниками питания, управление осуществляется с ПДУ или планшета по беспроводным каналам связи. Сигнал с датчиков передается на удаленное устройство, на котором в режиме реального времени можно видеть измеряемые параметры, которые можно архивировать для дальнейшей аналитической обработки (рисунок 6).
Рисунок 6 - Модель дистанционно управляемого, автоматизированного плавсредства, предназначенного для проведения биосферного мониторинга на водоемах
Figure 6 - Model of a remotely controlled, automated watercraft designed for biospheric monitoring
in water bodies 532
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Выводы. Важность наблюдения за водными объектами весьма актуально, так как позволяет в режиме реального времени отслеживать происходящие процессы. В Волгоградской области на водных объектах (Береславское и Варваровское водохранилища) показатели качества воды соответствуют критериям ГОСТа 17.1.2.03-90. Разработка новых устройств - автоматизированных плавсредств, позволяет обеспечить мобильность и оперативность получения данных за состоянием качества воды в природных водоемах. Полученная в ходе исследования доказательная база применения штамма Chlorella vulgaris ИФР №С-111 в оздоровлении водоемов, использовании в качестве живого корма для зоопланктона, расширяет представления о биологических процессах и экологическом состоянии.
Библиографический список
1. Водохранилища, пруды и озёра Волгоградской области / А. С. Овчинников, В. Ф. Ло-бойко, С. В. Яковлев, А. Ю. Овчарова [и др.]. Волгоград, 2020. 352 с.
2. Гурина И. В, Медведева Л. Н. Показатели оценки водных объектов при формировании экологических экотонов // Инновационные технологии - основа модернизации агропромышленного комплекса, посвященная 85-летию профессора Кривко Н. П. 2022. С. 183-186.
3. Качество поверхностных вод и их влияние на экологическую устойчивость орошаемых агроландшафтов / В. В. Мелихов, К. А. Родин, М. К. Тихонова, Д. А. Болотин // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: Наука и высшее профессиональное образование. 2019. № 4 (56). С. 48-55.
4. Кочеткова А. И., Брызгалина Е. С., Кудашина А. В. Оценка зарастания водохранилищ Волго-Донского судоходного канала // Современные проблемы и перспективы развития рыбо-хозяйственного комплекса. 2019. С. 197-200.
5. Кропотова Н. А. Роботизированная платформа, обеспечивающая мониторинг обстановки на водных объектах // NovaInfo. 2020. № 114. С. 2-4.
6. Лазарева В. И., Сабитова Р. З. Зоопланктон Цимлянского водохранилища и канала Волга-Дон // Зоологический журнал. 2021. Т. 100. № 6. С. 603-617.
7. Милюткин В. А., Бородулин И. В., Агарков Е. А. Биологический мониторинг водных экосистем -водотоков и водоемов по концентрации сине-зеленых водорослей // Проблемы и мониторинг природных экосистем. 2020. С. 103-107.
8. Разработка информационного и аппаратного обеспечения мониторинга процессов цветения водоемов озерного типа / А. В. Иванов, С. М. Гусейнова, И. М. Краев, Д. М. Малышев // Великие реки. Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет. 2017.С. 145-146.
9. Трубакова К. Ю. Анализ сезонных изменений гидрохимических показателей Бере-славского водохранилища в условиях антропогенного загрязнения // Пути повышения эффективности орошаемого земледелия. 2019. № 2 (74). С. 52-56.
10. Экологическая оценка современной биотехнологии улучшения качества поливной воды для агроландшафтов Волго-Донского междуречья / В. В. Мелихов, М. В. Фролова, А. А. Зибаров, М. В. Московец // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. 2019. № 3 (55). С. 94-101.
11. Экологический мониторинг водоемов Урало-Каспийского бассейна / Г. Б. Тулеми-сова, А. Г. Амангосова, А. Ш. Абдинов, Г. Б. Кабдрахимова [и др.] // Центрально-азиатский журнал исследований водных ресурсов. 2021. № 1. С. 37-49.
12. Medvedeva L. N. Research of natural functional ekotons in providing balanced development of the Tsimlyan reservoir in South Russia // IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science 1069.2022. 012017.
13. Ostroumov S. A. Water Quality and Conditioning in Natural Ecosystems: Biomachin-ery Theory of Self-Purification of Water // Russian Journal of General Chemistry. 2017. V. 87 (13). P. 3199-3204.
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
14. State of the small rivers of the Volga basin within the lower Volga / A. S. Ovchinnikov, V. F. Loboyko, V. S. Bocharnikov, F. Yu. Ovcharova, S. D. Fomin // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2019. V. 341 (1). 012107.
15. Tracking cyanobacteria blooms: Do different monitoring approaches tell the same story? / I. Bertani, C. E. Steger [et. al.] // Science of The Total Environment. 2017. Vol. 575. Р. 294-308.
Информация об авторах: Тихонова Маргарита Константиновна, кандидат сельскохозяйственных наук, старший научный сотрудник Федерального государственного бюджетного научного учреждения «Всероссийский научно-исследовательский институт орошаемого земледелия» (400002, г. Волгоград, ул. Тимирязева, 9), тел. 8(8442) 60-23-22, е-mail: margarita.tikhonova.73@mail.ru; ORCID 0000-0001-8451-0443 Медведева Людмила Николаевна, доктор экономических наук, ведущий научный сотрудник Федерального государственного бюджетного научного учреждения «Всероссийский научно-исследовательский институт орошаемого земледелия» (400002, г. Волгоград, ул. Тимирязева, 9), тел. 8(8442) 60-23-22, е-mail: milena.medvedeva2012@yandex.ru, ORCID 0000-0002-3650-2083
DOI: 10.32786/2071-9485-2022-04-62 TO THE JUSTIFICATION OF THE ANGULAR VELOCITY OF THE DRUM OF THE CYLINDRICAL INERTIAL SEPARATOR
V. Y. Churyumov1, V. A. Eviev1, B. K. Salaev1, S. D. Fomin2, Н. А. Kurkudinova1
1Kalmyk State University named after B. B. Gorodovikov, Elista 2 Volgograd State Agrarian University, Volgograd
Received 05.10.2022 Submitted 11.12.2022
Abstract
Introduction. This article deals with theoretical research on justification of angular velocity of cylindrical inertial separator drum with flexible working body with reverse curvature section. It was established by works of many researchers that it is reasonable to use inertial forces to intensify processes of post-milling treatment of grains, in particular their purification. That is why a great number of researches were dedicated to the work of inertial separators, especially cylindrical ones. Object. Separating surface of cylindrical inertial separator. Materials and methods. With existing rigid working bodies these forces are also limiting factors, as at the kinematic mode index K = r ra2/g»1 the particles are pressed down by the inertial forces. Application of various methods of reducing these disadvantages did not give a significant effect. These disadvantages are completely eliminated in flexible inertial separators with reverse curvature sections. For effective operation of a separator, it is necessary to justify its angular velocity. Theoretically determined the critical angular velocity of the drum ®cr = 9 rad/s at which the relative velocity of the particles of the layer is zero, ie the separator stops working. Results and conclusions. Results of theoretical researches are confirmed with results of experimental researches of the flexible inertial separator with a section of a reverse curvature carried out by the author earlier. Optimum angular speed of rotation of a separator drum with a section of backward curvature at which effective its work is achieved is ю>16.6 rad/s.
Keywords: inertial separator, separating surface, radius of curvature, angular velocity of the drum, completeness of separation.
Citation. Churyumov V. Yu., Eviev V. A., Salaev B. K., Fomin S. D., Kurkudinova N. A. To substantiate the angular velocity of rotation of a cylindrical inertial separator drum. Proc. of the Lower Volga Agro-University Comp. 2022. 4(68). 534-543 (in Russian). DOI: 10.32786/2071-9485-2022-04-62.
Author's contribution. All authors of this study were directly involved in the planning, execution or analysis of this study. All authors of this article have read and approved the submitted final version.
Conflict of interests. The authors declare no conflicts of interest.
