img-090539

424	Раздел 3. Основы прикладной гидрохимии

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,

1'лава 15. Контроль и охрана вод от загрязнения

425

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

№	Показатели	АСК п		с	ПП	№	Показатели	АСК П		с ПП
п/п						п/п
1	h (глубина отбора	О				23	n h ;	•	О	О	•
	пробы)					24	F e^	О	о	О
2	Т°С	о о			О 25 Си2+			О О О •
3	Мутность воды	О	О		О	26	Zn2+		О О		•
4	X	О	О		О	27	Qr<3+.в+)	•	о	О
5	pH	О	О		О	28	Sr2+			О
6	Eh	О	О		О	29	Cd2+	•		О	•
7	о2	О	О	о	о	30	Hg2+	•		О	•
8	СГ	О	О	О	О	31	Pb2+	•		О	•
9	SO*			о		32	МПобщ			О
10	N03	О	о	О		33	As<3+-5+>			О
11	no;	О	О	О		34	SiO2-	О		О
12	ро34-	О	О	о		35	ХПК		О О
13	НС03“		О	О		36	C0pr	О	•	О
14	сог		О	о		37	N0pr		•	О
15	F'	О	О	о		38	Жиры			о
16	УФ-пропускание	О				39	бп к5			О	•
17	s 2-			О		40	СПАВ			О
18	CN'		о	о		41	Фенолы			О	•
19	Na+	О	о	о		42	Нефтепродук­		•	О	•
20	К+	•		О		43	ты			о
							Сумма органи­
21	Са2+	•					ческих кислот
				О		44	Пестициды			О
22	Mg2+			о		45	Рорг			О

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

Глава 15. К онтроль и охрана вод от загрязнения

427

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.

428	Раздел 3. Основы прикладной гидрохимии

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

Глава 15. Контроль и охрана вод от загрязнения

429

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

430	Раздел 3. Основы прикладной гидрохимии

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

Глава 15. Контроль и охрана вод от загрязнения

431

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

	СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
	Основная
1.	А лекин О. А. Основы гидрохимии/ Учебное пособие— JL: Гидро­
метеоиздат, 1970. — 442 с.
2.	В ладим иров А. М., Л яхин Ю. И., М атвеев Л. Т., Ор­

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. —

М.: Недра, 1992. — 463		с.
7. Н иканоров	А.	М., П осохов Е.	В. Гидрохимия/ Учебное посо­
бие. — Л.: Гидрометеоиздат, 1985. — 232 с.
8. Н иканоров	А.	М., Трунов Н. М. Внутриводоемные процессы и
контроль качества	природных вод. —		СПб: Гидрометеоиздат, 1999. —

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

анализа природных вод. — М.: Недра, 1970. — 488 с.

•

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.

Список литературы

433

18.Б лох А. М. Структура воды и геологические процессы. — М.: Не­ дра, 1969. — 216 с.

19.В аляш ко М. Г., П оливанова А. И., М еттих Б. И. и др. Геохи­ мия и генезис рассолов Иркутского амфитеатра. — М.: Наука, 1965. — 159 с.

20.В еселовский Н. В. Пруды в засушливых районах и их гидрохи­ мия. — М.: Изд-во АН СССР, 1956. — 127 с.

21.В оронков П. П. Формирование химического состава атмосферных вод и влияние его на почвенные растворы и склоновые воды / / Труды ГГИ. 1963. Вып. 102. С. 21—50.

22. Г алазий Г. И. Байкал в вопросах и ответах.— М.: Мысль, 1988. — 286 с.

23.Горев JI. Н., П елеш енко В. И. Методика гидрохимических ис­ следований. — Киев: Вища школа, 1985. —212 с.

24.ГСМОС/ Вода. Практическое руководство. Третье издание.— ЮНЕП/ВОЗ/ЮНЕСКО, Берлингтон, Онтарио, 1992. — 324 с.

25.Д ривер Дж. Геохимия природных вод / Пер. с англ. — М.: Мир, 1985. — 440 с.

26.Е м ельянова В. П., Д анилова Г. Н. Гидрохимические карты рек Советского Союза / / Гидрохимические материалы. 1979. Т. 75. С. 3—10.

27.Зенин А. А. Гидрохимия Волги и ее водохранилищ. — JI.: Гидро­ метеоиздат, 1965. — 259 с.

28.Зенин А. А., Белоусова Н. В. Гидрохимический словарь/Под ред. А. М. Никанорова. — JL: Гидрометеоиздат, 1988. — 240 с.

29.К лим ентов Г. П., Богданов Г. Я. Общая гидрогеология. — М.:

Недра, 1977. —357 с.

30.К оновалов Г. С., К оренева В. И. Вынос микроэлементов речным стоком с территории СССР в моря в современный период / / Гидрохимиче­ ские материалы, 1979. Т. 75. С. 11—19.

31.К остяков А. Н. Основы мелиорации. — М.: Сельхозгиз, 1951. —

731 с.

32.К райнов С. Р., Ш вец В. М. Основы геохимии подземных вод. —

М.: Недра, 1980. — 286 с.

33.К расовский Г. Н., Егорова Н. А. Современные проблемы охра­ ны водных объектов от химического загрязнения / / Вестник АМН СССР. 1991. №1. С. 38.

34.К ривенцов М. И., Тарасов М. Н. Прогнозирование минерализа­ ции и содержание главных ионов в воде водохранилищ. — JI.: Гидрометео­ издат, 1976. — 111 с.

35.Л инник П. Н., Н абиванец Б. И. Формы миграции металлов в пресных поверхностных водах. — JI.: Гидрометеоиздат, 1986. —270 с.

36.Л урье Ю. Ю. Справочник по аналитической химии. — М.: Химия, 1971. — 454 с.

37.Л ьвович М. И. Вода и жизнь. — М.: Мысль, 1986. — 256 с.

38.М атвеев А. А., Баш м акова О. И. Химический состаБ атмосфер­

ных осадков некоторых районов СССР / / Гидрохимические материалы. 1966. Т. 42. С. 3 —17.