<<
>>

4.4. Экологический мониторинг внутренних и морских водных объектов с применением СПК.

За истекшие годы накоплен большой практический опыт использования судовых природоохранных комплексов для экологического мониторинга водных объектов в различных регионах России.

Хорошим примером использования СПК для экологического мониторинга являются работы, выполненные в последние годы при непосредственном участии автора на ПК «Экопатруль-2» и НИС «Россия» в акваториях Волги, Дона, Каспийского и Азовского морей [39, 40, 43, 47, 48].

Эти работы были направлены на получение информации об экологическом состоянии контролируемых акваторий мобильными средствами оперативного экологического контроля непосредственно на борту судна - носителя. Одновременно проводилось сравнение результатов с данными измерений, полученными при использовании стандартных методов отбора проб и последующего лабораторного количественного химического анализа (интеркалибриция или верификация методов измерений). Работы на ПК «Экопатруль-2» проводились, начиная с 1998 года. В 1998 г. была проведена сравнительная оценка экологического состояния водных объектов Астраханской области, выявлены наиболее загрязненные водотоки, сформированы основные подходы к обоснованию системы мониторинга поверхностных вод на основе традиционных и оперативных методов контроля.

Для выполнения поставленных задач были проведены несколько экспедиций по различным водотокам области. При этом были задействованы все основные системы комплекса “Акватория”, а также проводился отбор проб воды и донных отложений в контрольных точках для последующего лабораторного анализа. Суммарная продолжительность данных экспедиций составила 25 суток, при этом было пройдено около 2 500 км.

Информация, полученная с помощью судового природоохранного комплекса “Акватория”, сравнивалась с данными лабораторного

количественного химического анализа. Полученный с помощью СПК значительный массив данных по содержанию в поверхностных водах фосфатов, хлоридов, нитратов, нитритов, ионов аммония, фторид-ионов и других ЗВ включен в электронную базу данных.

Основное преимущество полученной с помощью СПК информации - непрерывный характер и привязка к географическим координатам, позволило непосредственно в процессе работы отобразить результаты измерений в виде пространственного распределения загрязняющих веществ в акватории исследуемых водных объектов. На рис. 4.19 в качестве примера представлены полученные в ходе этих работ распределения концентраций аммония по акватории нижней

&

Волги. На рис. 4.20 представлены в аналогичном виде результаты измерения концентраций нитритов при работе на акваториях северной части Каспийского моря.

В июне 1999 г. с помощью ПК «Экопатруль-2» был осуществлен экологический мониторинг акваторий Волги от Нижнего Новгорода до Астрахани. Экологический мониторинг выполнялся в рамках Федеральной целевой программы «Возрождение Волги». В экспедиции впервые в столь широком масштабе использовались новые оперативные средства контроля, реализованные в СПК, что позволило за относительно небольшой промежуток времени получить с единым аппаратурным и методическим обеспечением срез данных по основным показателям свойств и состава поверхностных вод на обширных акваториях Волги протяженностью более 2000 км. Основная цель запланированных исследований - получение оперативной информации об экологическом состоянии контролируемых акваторий мобильными средствами непрерывного автоматизированного контроля. В период проведения экспедиции отработана методология включения оперативных методов анализа в систему экологического

> мониторинга и контроля качества поверхностных вод, состояния и состава

выпусков сточных вод и оценки степени их влияния на водные объекты.

Рис. 4.19. Содержание аммония в поверхностных водоемах Астраханской области по итогам двух экспедиций ПК “Экопатруль-2” 1998 год

Нитриты

0.025-0.026 0026 - 0 029 0 029-0033 0033 - 0.039

• 0.039-0.043

• 0043-0046

• 0046-0048

• 0048-0052

• 0.052 -0059

• 0.059-0.067

Рис.

4.20. Содержание нитритов в поверхностных водах по итогам третьей экспедиции ПК “Экопатруль-2” 1998 год

Полученная в ходе экспедиции обширная информация по результатам измерений хранится в электронных архивах, введена в базы данных и используется для детального анализа оценки состояния и развития экологической ситуации на Средней и Нижней Волге, контроля динамики и прогнозирования этой ситуации.

Опыт экспедиции подтвердил, что эффективность методов оперативного контроля, используемых в судовых природоохранных комплексах, во многом определяется возможностью получения результатов измерений непосредственно на борту судна в реальном масштабе времени, что, в свою очередь, позволяет при проведении работ конкретно учитывать складывающуюся обстановку на акватории. В сочетании с оперативными методами контроля многократно повышается эффективность традиционных методов контроля в связи с тем, что пробы для лабораторных анализов отбираются целенаправленно в соответствии с показаниями оперативных методов.

Сравнение результатов количественных химических анализов, полученных стандартными методами анализа и оперативными средствами контроля СПК, показало их хорошую сходимость. Это позволяет использовать результаты, получаемые в процессе работы СПК, не только для оценки изменения контролируемых показателей во времени или пространстве, но и для осуществления государственного экологического контроля с целью проверки соответствия состава выпусков сточных вод установленным нормативам или расследования аварийных ситуаций, связанных с загрязнением водоемов.

Проведенный обобщенный анализ качества поверхностных вод по показателям, определяемым оперативными средствами контроля СПК, показал применимость последних для оценки степени изменений изучаемых показателей в различных временных и пространственных матрицах. Это позволяет при достаточном наборе определяемых показателей фиксировать динамическую составляющую фоновых изменений качественного состава

вод в пределах контролируемых акваторий- Особо следует отметить возможность оценки изменений состава вод на пограничных створах и в зонах влияния источников загрязнения с определением пространственного распределения загрязняющих веществ на акватории.

Рассмотрим некоторые результаты масштабного экологического мониторинга Волги более подробно.

Важным достоинством аппаратуры оперативного контроля, используемой в комплексах типа "Акватория", является возможность получения среза данных на протяженных участках акватории за относительно небольшой промежуток времени. В период проведения одной из экспедиции (с 31.05.99 по 1.07.99 г.), были проведены непрерывные измерения показателей состава и свойств поверхностных вод вдоль всего маршрута движения ПК “Экопатруль-2” от г. Нижнего Новгорода до г. Астрахани, Результаты измерений заносились в электронные архивы, автоматически формируемые в комплексе, по окончанию каждого рабочего дня. За время экспедиции сформированы электронные архивы за 31 день работы. В эти архивы занесены результаты измерений, усредненные по промежуткам времени в 10 сек. Каждое измерение с помощью спутниковой навигационной системы привязано ко времени проведения измерений и географическим координатам места измерения.

На картах-схемах, представленных на рис. 4.21, 4.22, в качестве примера приведены данные по отдельным показателям, непосредственно наложенные на карту р. Волги. Пространственное распределение изучаемых показателей качества поверхностных вод визуализировано в зависимости от величины параметра различным цветом и размером маркера без усреднения, т.е. каждое измерение перенесено на карту в реальных координатах. Представленные иллюстрации дают целостное восприятие изменений определяемых параметров по всему маршруту экспедиции.

По данным электронных архивов, получаемых непосредственно во время работы ПК, была сформирована база данных "Volgalkm,,, в которой

Рис. 4.21. Изменение содержания железа в волжской воде по маршруту экспедиции (показатели, кратные ПДК железа в воде рыбохозяйственных водоемов)

Рис.

4.22. Изменение величины pH волжской воды по маршруту экспедиции

Водородный показатель

0Д5

!«Ю !500 2000 2W0 3000

Степень минерализации

Окислительно-восстановительный

потенциал

железа

Рис. 4.23. Изменение некоторых показателей состава и свойств воды по маршруту экспедиции (интервал усреднения 10 км)

Концентрация хлоридов

Цветность воды

все результаты измерений привязаны к маршруту по фарватеру Волги. Весь маршрут работы ПК "Экопатруль-211 в экспедиции, начиная от г. Правдинска Нижегородской области (867-ой км по фарватеру) и до подходов к Астрахани (3002-ой км), был разбит на однокилометровые участки. Для каждого участка были определены средние на этом участке значения измеряемых комплексом "Акватория" параметров. Эти данные и были занесены в базу ,,VoIgalkm',. На основании данных базы ,,VoIgalkm" на рис. 4.23 приведены графики изменения некоторых показателей вдоль маршрута движения, усредненные по участкам длиной 10 км.

В таблице 31 приведены те же данные, но усредненные по участкам длиной 100 км. В той же таблице отдельными строками приведены усредненные данные, полученные при работе по Волге выше устья Оки (868-900km) и по р. Оке от устья до г. Павлово (примерно стокилометровый участок).

Таблица 3 1

Изменение усредненных физикохимических показателей состава и свойств воды

N

п/

п

Участок

усредне­

ния,

км

Минера

лизация

Уд.элек тро про­води­мость, мСм/м Водоро -дный показа­тель, ед. pH Редок

с

потен­

циал,

мВ

Нитрит

ион,

мг/л

Нитрат

ио и,

мг/л

Аммо

пий-

ион,

мг/л

Хлори

д-

ион,

мг/л

Фтори

д-

ион,

мг/л

Железо

-ион,

мг/л

Фос­

фат-

иол,

мг/л

Суль

фат-

ион,

мг/л

Цвет

ность

град

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
1. 867-900 0.058 8.9 7.69 313.3 0.015 0.33 0.97 0.001 0.039 С 1.5
2. Ока 0.225 37.9 7.84 285 0.034 3.15 28 0.28 109
3. 900-999 0.153 25.5 7.79 293.7 0.033 2.98 22.7 0,207 0.391 62.0
4. 1000-1099 0.155 26.0 7.81 307.9 0.033 2.58 18.1 0.178 0.275 57.8
5. 1100-1199 0.135 22.9 7.97 301.5 0.032 1.19 17.2 0.171 0.244 0.58 56.4
6. 1200-1299 0.130 22.9 8.03 271.8 0.030 0.15 10.8 0.173 0.137 0.96 15.0 61.2
7. 1300-1399 0.134 25.0 7.89 260.0 0.028 0.05 15.8 0.137 0.046 1.01 16.1 66.3
8. 1400-1499 0.144 26.9 7.95 276.9 0.027 0.30 22.0 0.079 0.105 2.11 56.2
9. 1500-1599 0.145 27.0 7.82 260.9 0.031 0.38 0.625 25.3 0.068 0.113 1.43 36.3 46.2
10. 1600-1699 0.147 25.7 7.94 285.3 0.035 0.18 0.056 26.3 0.092 1.26 155.1
11. 1700-1799 0.154 27.3 7.61 268.9 0.047 0.30 0.076 24.1 0,039 0.093 0.61 65.7 37,1
12. 1800-1899 0.156 27.9 7.49 282.8 0.048 0.40 0.055 40.6 0.163 0.064 0.79 42.5 33.9
13. 1900-1999 0.163 29.6 7.29 293.4 0.040 0.49 38.1 0.140 0.054 0.48 109.9 36.9
14. 2000-2099 0.166 30.2 7.11 305.9 0.040 0.34 1.19 32.1 0.163 0.047 0.59 117.6 32.8
15. 2100-2199 0.171 31,9 6.95 300.9 0.037 о.з’з O.I2I 31.3 0.101 0.107 1.01 30.9 34.3
16. 2200-2299 0.169 32.3 6.51 278.2 0.036 0.61 0.082 33.1 0.111 0.050 0.07 34.3
17. 2300-2399 0.166 32.3 6.87 287.6 0.038 0.62 0.077 26.7 0.108 0.043 0.07 34.7
18. 2400-2499 0.161 ЗІ.І 6.74 266.7 0.040 0.37 0.050 25.6 0.109 0.046 2.27 31.1
19. 2500-2599 0.155 29.4 6.75 271.6 0.045 0.41 0.061 24.1 0.102 0.035 0.29 45.9 29.5
20. 2600-2699 0.156 29.5 6,82 2S7.9 0.044 0.58 0.103 24.4 0.112 0.044 0.27 39.3 33.8
21. 2700-2799 0.158 30.3 7Л2 295.9 0.046 0.72 0.145 24.0 0.118 0.080 0.27 21.4 46.8
22. 2800-2899 0.158 30.7 7.22 297. і 0.049 0.67 0.153 23.8 0.092 0.106 0.23 49.6 55.4
23. 2900-2999 0.159 31.2 7.24 290.5 0.073 0.67 0.216 25.4 0.099 0.137 0.21 56.7 78.2

В таблице 32 приведены обобщенные данные по всему маршруту экспедиции по каскаду волжских водохранилищ и свободному течению р. Волги от г. Волгограда до г. Астрахани. Таблица получена в результате анализа результатов измерений, занесенных в базу данных "Volga 1 km"

Таблица 32

Обобщенные данные результатов измерения физикохимических показателей воды по маршруту экспедиции ио Волге (867-3000 км)

N

п/п

Параметр Едини-цы

из-мере-

ния

Средне

е

СКО Г1ДК Процент превышен ий ПДК Экст- ре­мая ь-

ные

значен

ИЯ

Расположе

ние

экстрем.

значений,

км

Комментарии к экстремальным значениям
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
1. Минера­

лизация

промил-ле 0.152 0.021 0.329 1737 Самарская промзона - устье р. Самара
2. Уд. олектро-

проводи-мость

мСм/м 27.9 4.54 60.3 1737 Самарская промзона - устье р. Самара
3, Водород-ный

показатель

ед. pH 7.4 0.55 6.5 1.60

5.06

8.98

6.36

1524

2246

Подход к г.Ульяновск Саратовская обл.
4, Окислительно-

носстаиовитель

ный потенциал

мВ 285,6 18.7 339.5

233.1

2104

1538

Саратовская обл, у г.Маркс

Район водосброса

очистных г.Ульяновск

5. Нитрит-ион мг/л 0.039 0.013 0.08 2.7 0.096 2940 Астраханская обл. (район Селитренных

островов и пр.

Епотаевка)

6, Нитрат-ион мг/л 0.73 0.85 40 7.71 952 Район

предполагаемого

сброса очистных г.Дзержинск

7. Аммоний-ион мг/л 0.13 0.14 0.5 1.53 1.68 1537 Водосброс очистных

г. Ульяновска

8. Хлорид-ион мг/л 24.2 7.97 300 0 57.8 2163 Водосброс в промзоне г.Саратов (вблизи речного вокзала)
9. Фторид-ион мг/л 0.12 0.045 0.75 0 0.35 1738 Водосброс в промзоне г. Самара
10. Железо-ион мг/л 0.12 0.13 0.1 34.6 2.67 2166 Водосброс в промзоне

г. Саратов

11. Фосфат-ион мг/л 0.79 0.71 0.6 48 3.35 2169 Промзона г. Саратов
12. Сульфат-ион мг/л 46.6 36.6 100 12.7 178.8 1664 Промзона г. Тольятти
13. Цветность град 47.0 15.7 107.2

19.1

2973

1886

Астраханская обл. Самарская обл,

Из приведенных данных видно, что волжская вода выше устья Оки резко отличается от вод Оки практически по большинству измеряемых показателей. Из рис. 4.236, например, видно, что степень минерализации возрастает при входе в воды р. Оки примерно в 4 раза и в дальнейшем воды Волги и Оки плохо перемешиваются на протяжении около 150 км. Практически перемешивание завершается с началом широких плесов Чебоксарского водохранилища. Средняя минерализация от устья Оки примерно до 1200 км (до конца Чебоксарского водохранилища) постепенно падает, что может быть связано с влиянием менее минерализованных северных притоков (Ветлуги и других).

Другие притоки несут наоборот более минерализованную воду. Так на том же рис. 4.236 хорошо виден пик минерализации в устье р. Сура. После г. Чебоксары средняя величина минерализации начинает плавно нарастать и, растет вплоть до верхней части Волгоградского водохранилища. В Волгоградском водохранилище наблюдается заметный слад минерализации, а в дальнейшем от Волгограда до Астрахани незначительное ее плавное повышение.

Следует отметить, что степень минерализации в комплексе “Акватория” вычисляется по результатам измерения температуры и электропроводимости. Как показал многолетний опыт использования комплекса “Акватория” при работе в пресных водах, вычисляемая в комплексе степень минерализации воды является очень хорошим индикатором изменения качества воды, что позволяет индицировать воды притоков, выделять застойные зоны, обнаруживать и отслеживать факелы водосбросов промпредприятий и т. д.

Максимальная степень минерализации, отмеченная в таблице 32, связана с антропогенными загрязнениями вод р. Самары в промзоне г. Самара.

На приведенных графиках и в таблицах использованы все корректные результаты измерений, полученные в ходе экспедиции. Интенсивность

выделения притоков, водосбросов и т.д. на графиках контролируемых показателей зависит от характера маневрирования ПК, от того насколько близко ПК подходил к устьям притоков, специально входил в факелы водосбросов или проходил мимо них и т.д. Большое значение для выделения областей загрязнений имеет величина осреднения. Так, например, при десятикилометровом усреднении, на графике изменения степени минерализации промзоны выделяются в виде повышений уровней минерализации вблизи крупных городов. При однокилометровом усреднении антропогенные загрязнения выделяется в виде узких пиков. Еще более наглядно это видно на рис. 4.24, на котором представлены результаты измерений степени минерализации вообще без дополнительного усреднения на участке от Н.Новгорода до Самары. На рисунке на горизонтальной плоскости изображен маршрут движения ПК в географических координатах. На оси X отложены долготы мест измерений, а по оси У - широты. По оси Z - отложены результаты измерений, взятые непосредственно из электронных архивов ПК "Экопатруль-2". На рисунке хорошо видны отдельные узкие пики в районе промышленных центров.

На рисунке 4.22, где представлены результаты прямого измерения (без усреднения) величины pH, видно, что величина данного показателя изменялась в достаточно широких пределах от 6,32 до 9,3. Участки акватории с наибольшими значениями pH были характерны, в основном, в районах промышленных зон поволжских городов. По р. Оке это акватория г. Павлово (устье р. Тарка), по Чебоксарскому водохранилищу — промзона г. Нижний Новгород, где в отдельных точках на акватории величина pH достигала значений более 9. Высокие значения pH (от 8,1 до 9) отмечены в районе пограничного створа между Нижегородской областью и Республикой Чувашия, а также в районе верхнего бьефа Чебоксарской ГЭС (Республика Чувашия). По Куйбышевскому водохранилищу повышенный уровень pH зарегистрирован от границы с Татарстаном и до г. Ульяновска. Величина pH, превышающая 8,5 ед. pH, в водах Саратовского водохранилища обнаружена

в районе очистных сооружений г. Тольятти. В водах Волгоградского водохранилища величина pH изменялась в пределах от 7,4 до 7,9. Отдельные точки с высоким уровнем рН> 8,8 отмечены в районе промзоны г. Саратова, устья р. Еруслан и промзоны г. Камышина (Волгоградская область). В нижнем течении р. Волги высокие уровни pH обнаружены в районе промзоны и ниже г. Ахтубинска (Астраханская область).

Начиная с промзоны г. Самары, были зарегистрированы величины рН< 6,5. Область данных значений pH была в большей степени представлена по Волгоградскому водохранилищу в пределах Саратовской и Волгоградской областей.

При 10-км усреднении величины pH единичные показания с узкой областью протяженности по обследованной системе акваторий (превышающие величину 8,5 —9,3) сглаживаются и четко просматривается общая тенденция сдвига изучаемого показателя вдоль продольного профиля реки (рис. 4.23а, табл. 31). В целом уровень pH, начиная от г. Ульяновска к району промышленной зоны г. Саратова, снижается с последующим незначительным нарастанием величины в нижнем течении р. Волги (Астраханская область). В распределении величины pH можно выделить три зоны, резко различающиеся по своим средним значениям: акватория Чебоксарского водохранилища и Куйбышевского водохранилища в пределах Нижегородской области, Чувашской Республики, Ульяновской и Самарской областей с уровнем pH от 7,6 до 8,8; зона резкого сдвига в пределах Саратовского и Волгоградского водохранилища (между г. Самара и Волгоград) с изменением величины pH от 7,7 до 6,3; зона плавного роста pH от минимальных значений 6,5 до 7,5 в пределах свободного течения реки Волги от г. Волгограда до г. Астрахани. На общем фоне явно просматриваются устойчивые области значительной протяженности, которые характеризуются значениями pH, находящимися за допустимыми пределами: это область промышленной зоны г. Ульяновска со значениями более 8,6 и промзона г. Саратова со значениями менее 6,5.

На графике распределения величин окислительно-восстановительного потенциала (Eh) вдоль продольного профиля реки при 10-км усреднения четко видно, что область акватории, прилегающая к промышленным зонам поволжских центров, характеризуется минимальными значениями этого показателя (рис. 4.23b.). Последнее свидетельствует, что подобное изменение величины Eh не является случайно зарегистрированным фактом, а имеет явно выраженную временную и пространственную характеристику. Наиболее устойчивая зона с минимальными значениями величины Eh отмечена на акватории промзоны г. Ульяновска и, особенно, в районе городских очистных сооружений. Общий характер изменения направленности

распределения данного показателя по продольному профилю реки характеризуется явно выраженным снижением величины Eh от плотины Чебоксарской ГЭС до границы с Ульяновской областью и последующим плавным нарастанием в границах Саратовского водохранилища и верхней трети Волгоградского водохранилища вплоть до г. Саратова.

Изменения усредненных концентраций хлорид-иона (10-км усреднение) во многом совпадают с изменениями степени минерализации (рис. 4.23r). Корреляция этих показателей, вычисленная по 100 км усредненным участкам, оказалась равной 0.75. Концентрация хлорид-иона

*

резко возрастает при впадении Оки, в дальнейшем уменьшается и, так же как и степень минерализации, достигает минимума на участке 1200-1300 км. После этого концентрация хлорид-иона плавно возрастает, достигая максимума на участке 1800-1900 км, и в дальнейшем падает почти до самых низовий Волги. Максимальное значение концентрации хлорид-иона зафиксировано в водосбросе в промзоне г. Саратов.

Концентрация фторид-иона в Волге до впадения Оки (по данным 10-км усреднения) имеет исчезающе малую величину (меньше 0.03 мг/л - нижний j⅛, порог диапазона измерений). После впадения Оки концентрация фторид-иона

превышает 0.2 мг/л. В Оке среднее значение концентрации фторид-иона оказалось равным 0.28 мг/л. Максимальные значения в Волге 0.35 мг/л

зафиксировано на акватории промзоны г. Самара (1738 км). После впадения Оки концентрация фторид-иона постепенно снижается до уровня порядка 0.04 мг/л в Самарской области. В конце Саратовского водохранилища концентрация фторид-иона возрастает до величин порядка 0.15 мг/л и в дальнейшем от Саратова до Астрахани остается на уровне порядка 0.1 мг/л.

Изменение содержания нитритов в волжской воде по маршруту экспедиции от г. Нижнего Новгорода до г. Астрахани характеризуется значительным разбросом по абсолютной величине данного показателя (от 0,2 ПДК до З ПДК). Средний уровень концентрации составил 0,3-0,7 ПДК (рис. 4.23 д). По реке Ока четко выделяются два очага загрязнения - в районе устья

*

р. Тарка (г. Павлово) до 3 ПДК и месте выпуска сточных вод г. Дзержинска (1-2 ПДК). По верхнему течению Чебоксарского водохранилища явного нитритного загрязнения не обнаружено - средний уровень 0,3-0,5 ПДК. Однако в месте влияния промзоны г. Правдинска и месте выпуска сточных вод г. Нижнего Новгорода величина загрязнения возрастает до 0,7 - 1 ПДК. Значительный участок Чебоксарского водохранилища вплоть до г. Чебоксары характеризуется стабильным содержанием нитритов на уровне 0,4 ПДК. Исключение составляет район влияния устья р. Суры, когда величина загрязнения превышает допустимый уровень (1-2 ПДК). Уровень нитритного

'* загрязнения вод Куйбышевского водохранилища был несколько ниже, чем

Чебоксарского, и изменялся в пределах от 0,2 до 0,4 ПДК. Отмечено явное влияние очистных сооружений г. Новочебоксарск и р. Цивиль на уровень содержания нитритов в воде, который резко возрастал в данных точках до 2-3 ПДК максимально. Другая "грязная" зона на акватории Куйбышевского водохранилища привязана к промышленной зоне г. Ульяновска, а также на акватории убежища Мордова (1 ПДК). Воды Саратовского водохранилища в пределах Самарской области содержали заметно большее количество нитритов, чем на территории Саратовской области (0,7 и 0,4 ПДК, соответственно). На общем фоне выделяются зоны повышенного содержания нитритов, связанные с влиянием устья р. Чапаевка (1 ПДК), промзоны г.

Сызрань (1 ПДК). Загрязнение Волгоградского водохранилища и свободного течения реки Волги от г. Волгограда до г. Астрахани характеризуется

I-

заметным увеличением содержания нитритов в волжской воде (0,5 - 0,7 ПДК), особенно, в нижнем течении от г. Волгограда до г. Астрахани. В верхней трети Волгоградского водохранилища выделяются районы, прилегающие к нижнему бьефу Саратовской ГЭС, устью р. Караман (0,7 ПДК), промзона г. Саратова (до 2 ПДК), участок р. Волги от с. Енотаевка до с. В, Лебяжье Астраханской области (до 1,5 ПДК).

Анализ результатов 10-км усреднения прямых определений концентрации нитритов показал, что отмеченные ранее зоны превышения допустимых нормативов носят локальный характер и представляют очень узкие зоны на акватории, которые возможно выявить только с помощью оперативных систем контроля. Как видно из рис. 4.23д концентрация нитритов скачком увеличивается при впадении р. Оки и в дальнейшем в нижнем течении каскада волжских водохранилищ меняется мало. Значимый подъем виден только в Самарской области, однако усредненные значения здесь не превышают ПДК. Резкий пик зафиксирован в Астраханской области в районе Селитренных островов и пр.Енотаевка, где превышения ПДК носят явно выраженный характер как по абсолютной величине (1,5 раза), так и по протяженности. Следует отметить, что большинство результатов определения концентрации нитрит-иона лежат ниже границы диапазона измерения использовавшейся методики (0,05 мг/л), что может привести к некоторому увеличению погрешности определения, однако тенденция изменения отражена правильно.

Анализ содержания нитратов в волжской воде при 10-км усреднении показал, что прямые измерения и усредненные показатели практически полностью совпадают, что может свидетельствовать о незначительном

⅛ влиянии источников загрязнения на фоновую составляющую водотоков

(рис.4.23 а). Максимальные концентрации нитратов, значительно превышающие средневолжские, наблюдаются в верхней части Чебоксарского

водохранилища в результате влияния р. Оки, где концентрация нитратов на порядок выше, чем в р. Волге до впадения последней. Абсолютный пик по

»

нитратам зафиксирован на 952 км в районе предполагаемого водовыпуска очистных сооружений г. Дзержинска. В целом (по усредненным показаниям) влияние р. Оки распространяется практически на все Чебоксарское водохранилище.

В период проведения экспедиции по большинству обследованных акваторий уровень загрязнения волжской воды железом значительно превосходил допустимые нормативы (рис. 4.21). Особенно высоким было содержание ионов железа в двух зонах: реке Ока на акватории, прилегающей к г. Павлово, и в верхнем течении Чебоксарского водохранилища, начиная от г. Нижнего Новгорода до устья р. Керженец (от 5 до 17 ПДК максимально) в Нижегородской области. На всем остальном протяжении Чебоксарского и Куйбышевского водохранилищ уровень содержания железа в волжской воде продолжал оставаться высоким (от 2 до 5 ПДК), достигая максимальных значений 5-7 ПДК в районах: устья р. Суры (Нижегородская область), верхнего бьефа Чебоксарской ГЭС, выпуска очистных сооружений г. Новочебоксарска, в пограничном створе Чувашской Республики с Республикой Татарстан. Вторая зона очень высокого загрязнения волжской воды ионами железа зарегистрирована на акватории Куйбышевского водохранилища в пределах Ульяновской области (максимально до 15 ПДК): район промышленной зоны г. Ульяновска, убежище Криуши, район устья р. Б.Черемшан. С пограничного створа между Ульяновской и Самарской областью уровень загрязнения поверхностных вод железом резко уменьшается и до границы между Волгоградской и Астраханской областью меняется мало (средние значения 0,5 ПДК), практически на всем 900 км отрезке реки. На общем фоне четко выделяются отдельные створы, где

й> уровень загрязнения значительно превышал допустимый уровень:

Саратовское водохранилище в районе промзоны г. Самары (до 5 ПДК), устье р, Чапаевка Саратовской области (2 ПДК); Волгоградское водохранилище в

районе промзоны г. Саратова (свыше 5 ПДК) Саратовская область, акватория в районе г. Камышина Волгоградской области (до З ПДК). В нижнем течении р. Волги (Астраханская области) содержание ионов железа в волжской воде заметно возрастает (в среднем 2 ПДК) на всем протяжении от границы с Волгоградской областью до г. Астрахани.

Распределение усредненных показателей вдоль продольного профиля реки во многом сходно с единичными показаниями. Превышение ПДК зафиксировано на 34.8% площадей акваторий. Концентрация растворенного в воде железа на порядок возрастает после впадения в Волгу р. Оки. Средняя концентрация на участке 900-999 км Чебоксарского водохранилища равна 4 ПДК. Пики концентрации железа даже при значительном усреднении фиксируются при прохождении всех промышленных зон областных поволжских центров.

Содержание фосфатов в волжской воде характеризуется значительным разбросом по абсолютной величине определяемого показателя (табл. 31). После устья р. Камы концентрация фосфатов в воде заметно возросла и изменялась от 2 до 4 ПДК. Резкое изменение величины этого показателя зарегистрировано на выпусках Ульяновской области. На подходах к Ульяновску концентрация фосфатов превосходила уровень ПДК в 10-20 раз. Значительный уровень фосфатного загрязнения отмечен в районе промышленной зоны г. Ульяновска и ниже по течению вплоть до границы с Самарской областью. Уровень загрязнения фосфатами Куйбышевского водохранилища на территории Самарской области был несколько ниже, чем в Ульяновской области, однако превышал ПДК, в среднем, в 2-3 раза. На территории Самарского промышленного комплекса отмечены участки акватории, где данный показатель достигал 4 ПДК. Аналогичная ситуация характерна для Саратовского водохранилища как на территории Самарской, так и Саратовской области. Несколько снизился уровень загрязнения фосфатами вод Волгоградского водохранилища в границах Саратовской области (до 2 ПДК). Следует отметить резкое увеличение данного показателя

на акватории промышленной зоны г. Саратова (до 20 ПДК). Минимальный уровень фосфатов отмечен на 180 км отрезке Волгоградского водохранилища ниже границы с Саратовской областью. Нижняя треть Волгоградского водохранилища характеризовалась устойчивым загрязнением фосфатами на уровне от 1 до 2,5 ПДК. Концентрации фосфатов в волжской воде после плотины Волгоградской ГЭС на всем протяжении до г. Астрахани не превышали допустимых нормативов.

В целом, уровень загрязнения волжской воды фосфатами оказался очень высоким, превышение ПДК зафиксировано на 48% обследованных акваторий (табл. 32).

Концентрация сульфатов превышает ПДК на значительных акваториях Волги (12,7% площадей). Максимальные концентрации сульфатов (179 мг/л) были зафиксированы на границе Куйбышевского водохранилища у г. Тольятти. Усредненные по 100 км участкам концентрации сульфатов превышали ПДК на участке 1900-2100 км (район Балаково и плотины Саратовской ГЭС).

В характере изменении цветности воды по маршруту экспедиции явно прослеживаются две зоны максимальной окраски вод. Верхняя зона располагается в районе г. Павлово (р. Ока) и Чебоксарского водохранилища выше г. Нижний Новгород. Степень окраски вод по р. Ока несколько выше, чем в Чебоксарском водохранилище. В районе стрелки р. Оки и р. Волги у г. Нижнего Новгорода происходит смешение вод различной окраски и выравнивание цветности. На всем остальном протяжении каскада волжских водохранилищ до границы с Астраханской областью цветность вод, усредненная по однокилометровым участкам, изменяется в пределах от 20 до 107 градусов (рис. 4.23з, табл. 30). Максимальные значения цветности регистрируются в районах устьев рек Сура, Ветлуга, Б. Черемшан, районе

⅛ выпуска очистных сооружений г. Новочебоксарск, промышленной зоны г.

Саратова, Вторая зона повышенной цветности вод характерна для Нижней Волги от г. Ахтубинска до г. Астрахани.

Для определения взаимосвязи между различными показателями была вычислена корреляционная матрица, приведенная в таблице 33. Матрица вычислена по данным, полученным на 986-ти однокилометровых участках, на которых имелись результаты измерений по всем приведенным в таблице параметрам.

Таблица 33

Показатель 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
1 Степень

минерализа­

ции

1 0.91 -0.35 -0.13 0.21 0.13 0.41 -0.03 -0.12 -0.25
2 Удельная

электропро­

водимость

1 -0.49 -0.30 0.36 -0.19 0.47 -0.35 -0.40 -0.33
3 Водородный

показатель

(pH)

1 0.28 -0.35 0.30 -0.32 0.29 0,51 0.50
4 Окислительно

-восстанови­

тельный

потенциал

1 0.01 0.47 -0.09 0.40 0.37 0.25
5 Нитрит-ион 1 -0.14 0.14 -0.23 -0.14 0.26
6 Нитрат-ион 1 -0.21 0.68 0.76 0.38
7 Хлорид 1 -0.15 -0.38 -0.43
8 Фторид 1 0.67 0.27
9 Железо 1 0.62
10 Цветность 1

Как видно из таблицы сильная связь существует между степенью минерализации и удельной электропроводимостью, что является очевидным. Наблюдается значимая связь между концентрацией железа, цветностью и концентрациями нитратов и фторидов, а также между концентрациями фторидов и нитратов.

Учитывая положительные результаты экспедиции 1999 года, в 2001 году была запланирована и проведена новая экспедиция по Волге с использованием судового природоохранного комплекса типа "Акватория",

установленного на НИС "Россия". На Волге судно работало с 31.08.2001 по 30.09.2001 года и за это время измерения были проведены на маршруте

»

протяженностью более 2800 км от г. Белый городок Тверской области до Астрахани.

Экспедиция на судне "Россия" явилась следующим шагом в деле включения оперативных методов в систему бассейнового экологического мониторинга, в частности, в систему государственного экологического мониторинга вод Волги в рамках Федеральной целевой программы (ФЦП) "Возрождение Волги". Важным результатом экспедиции явилась также возможность сопоставления данных, полученных в 1999 и 2001 годах. В 2001 году по сравнению с 1999 годом в волжской воде, хотя и незначительно, но статистически значимо увеличилось содержание нитритов. Среднее значение концентрации в 1999 году равнялось 0,039 мг/л, в 2001 году 0,045 мг/л. Процент десятикилометровых участков маршрута, на которых концентрация нитритов превышает ПДК, увеличился с 2,6% в 1999 году до 6% в 2001 г. В 2001 г. превышения ПДК зафиксированы в районах Казани, Ульяновска, Саратова и в Астраханской области, в то время как в 1999 г. превышения ПДК наблюдались только в Астраханской области.

В 2001 г. примерно в два раза по сравнению с 1999 г. увеличилась средняя концентрация ионов аммония. Однако эта концентрация ни на одном десятикилометровом участке не превысила ПДК. Незначительно, но статистически значимо, в 2001 г. изменились концентрации хлоридов, фторидов и цветность воды.

В целом, по результатам сравнения данных можно заключить, что изменения концентраций отдельных регистрировавшихся ингредиентов незначительны и вполне могут быть объяснены, в частности, изменением сезона проведения экспедиции (июнь 1999 г, и сентябрь 2001 г.).

⅛.. В августе - сентябре 2002 года на НИС "Россия", оснащенном СПК

"Акватория-2С", проводилось исследование геоэкологического состояния

природной среды на континентальном шельфе и в прибрежной зоне

Северной части Каспийского моря.

г

Наряду с работой СПК в режиме непрерывных измерений, в ходе экспедиции выполнялись обычные станции, на которых с помощью батометров отбирались пробы воды для дальнейшего анализа. Измерение температуры осуществлялось с помощью опрокидывающегося термометра, прикрепленного к батометру, а измерения водородного показателя и массовой концентрации растворенного кислорода в пробах осуществлялось на борту судна с помощью ионометрического преобразователя И-500 и модифицированного метода Винклера в соответствии с [107]. Для этих методов погрешность измерения температуры равна 0,05°С, водородного показателя и массовой концентрации кислорода - 3% от текущего значения.

Ниже, в качестве иллюстрации, рассматриваются данные, полученные на НИС "Россия” в период с 28 по 31 августа 2002 г., обоими методами, когда судно работало в дельте Волги и в акватории Северного Каспия. За это время были проведены непрерывные измерения общей продолжительностью около 80 часов вдоль маршрута движения протяженностью свыше 1000 км. На рис. 4.25 приведен маршрут движения судна и отмечены станции, на которых проводились батиметрические исследования.

Было проведено сопоставление результатов измерений, полученных с помощью СПК и батометрическим методом [43].

При работе на станциях при опускании батометров судно дрейфовало с работающей автоматической системой измерения параметров водной среды в поверхностном слое. Результаты этих измерений усреднялись за время дрейфа при работе на станции и сопоставлялись с результатами батометрических измерений на нулевом горизонте, т.е. с результатами анализа проб, отобранных с поверхности воды. Сравнивались значения тех

⅛, параметров, которые измерялись при использовании обоих методов:

температуры, водородного показателя и массовой концентрации растворенного кислорода.

Рис. 4.24. Изменение величины минерализации (без усреднения) в акватории Волги от Нижнего Новгорода до Самары

Рис. 4.25. Маршрут движения и расположение батометрических станций на работе НИС “Россия” с 28 по 31 августа 2002 г.

В таблице 34 приведены результаты измерений на станциях температуры с помощью СПК (х) и с помощью батометров (у) и разность между этими измерениями d~x~y. Данные приведены в порядке убывания модуля разности результатов измерения.

Таблица 34

Станция Измерения СПК х°С Батометрические

измерения

ZC

Разность измерений d=x-y °С
1 2 3 4
56 23.75 24.80 -1.05
71 22.61 23.60 -0.99
713 23.35 23.90 -0.55
80 24.78 25.20 -0.42
712 23.01 23.30 -0.29
714 23.81 24.10 -0.29
37 24.08 23.90 0.18
716 24.22 24.40 -0.18
69 24.03 24.20 -0.17
73 22.65 22.80 -0.15
kl 22.26 22.4 -0.14
70 23.51 23.65 -0.14
68 23.86 24.00 -0.14
717 23.84 23.70 0.14
79 24.62 24.50 0.12
711 22.98 23.10 -0.12
62 22.88 23.00 -0.12
58 23.69 23.80 -0.11
72 22.79 22.90 -0.11
65 22.89 23.00 -0.11
36 24.10 24 0.1
77 24.50 24.60 -0.1
61 22.30 22.40 -0.1
67 23.81 23.90 -0.09

1 2 3 4
57 23.42 23.50 -0.08
715 24.32 24.40 -0.08
64 22.92 23.00 -0.08
60 23.96 23.90 0.06
59 23.85 23.80 0.05
66 22.85 22.90 -0.05
74 23.66 23.70 -0,04
55 23.83 23.80 0.03
76 24.17 24.20 -0,03
78 23.82 23.80 0.02
63 23.02 23.00 0.02

Данные по результатам сопоставления измерений водородного показателя обоими методами приведены в таблице 35.

Таблица 35

Станция Измерения СПК

X ед. pH

Батометрические измерения у ед. pH Разность измерений d=x-y ед. pH
1 2 3 4
70 8.697 7.31 1.387
К1 8.234 7.32 0.914
714 8.635 8,00 0.635
61 8.945 8.61 0.335
57 8.669 8.38 0.289
711 9.008 8.72 0.288
1 2 3 4
59 8.544 8.27 0.274
55 8.633 8.37 0.263
60 8.534 8.28 0.254
36 8.515 8.28 0.235
67 8.812 8.59 0.222
717 8.759 8.54 0.219
713 8.832 8.63 0.202

1 2 3 4
712 8.845 8.66 0.185
68 8.730 8.55 0.18
69 8.648 8.48 0.168
58 8.739 8.59 0.149
76 8.525 8.38 0,145
715 8.557 8.45 0.107
72 8.867 8.77 0.097
716 8.552 8.46 0.092
65 8.795 8.71 0.085
74 8.534 8.47 0.064
37 8.508 8.57 -0.062
80 8.616 8.67 -0,054
71 9.053 9.00 0.053
63 8.862 8.81 0.052
79 8.640 8.59 0.05
64 8.852 8.82 0.032
73 8.718 8.69 0.028
56 8.524 8.55 -0.026
78 8.536 8.56 -0.024
77 8.499 8.48 0.019
66 8.810 8.80 0.01
62 8.825 8.83 -0.005

В таблице 36 приведены данные по сопоставлению результатов измерения концентрации растворенного кислорода.

Таблица 36

Станция Измерения СПК

X мг/л

Батометрические измерения у мг/л Разность измерений d=x-y мг/л
1 2 3 4
716 9,54 3.99 5.55
62 9.095 6.21 2.885

ι*l

1 2 3 4
713 9.86 7.59 2.27
78 8.781 7.12 1.661
711 10.33 9.26 1.07
79 9.601 8.68 0.921
60 8.865 8.14 0.725
712 9.795 9.29 0.505
63 9.438 8.96 0.478
717 10.02 9.59 0.43
714 9.375 9 0.375
36 8.85 8.56 0.29
715 9.091 8.82 0.271
59 8.624 8.38 0.244
Kl 8.66 8.9 -0.24
37 8.764 8.53 0.234
66 9.351 9.12 0.231
56 8.878 8.65 0.228
77 8.778 8.57 0.208
65 9.399 9.22 0.179
72 9.469 9.63 -0.161
67 10.22 10.07 0.15
76 8.903 9.02 -0.117
55 9.021 8.92 0.101
58 9.361 9.45 -0.089
64 9.278 9.19 0.088
73 9.12 9.05 0.07
71 10.23 10.16 0.07
68 9.626 9.56 0.066
74 8.46 8.52 -0.06
57 9.086 9.04 0.046
70 9.211 9.18 0.031
61 8.986 8.96 0.026
80 9.712 9.72 -0.008
69 9.346 9.34 0.006

Эти же результаты по 35 станциям, на которых измерения проводились тем и другим способом, приведены на рис. 4.26-4.28. На графиках по оси абсцисс отложены в порядке последовательности измерений номера станций, на которых проводились измерения. Красным цветом с прямоугольными маркерами изображены результаты измерений СПК, синими (маркеры в виде ромбов) - батометрические измерения на нулевом горизонте.

Данные таблиц и рисунков свидетельствует о хорошем, в целом, совпадении результатов измерений. Проведем более подробный анализ полученных результатов.

Логично предположить, что разность результатов измерений является нормально распределенной случайной величиной. Математическое ожидание этой величины будет равно разности систематических ошибок используемых методов измерений, а дисперсия - сумме дисперсий случайных ошибок этих методов.

Исходя из этих соображений, полученные разности измерений сначала анализировались на наличие несоразмерно больших значений модуля разности. Так, по результатам измерения температуры среднее значение величины разности измерений оказалось равным Ат= - 0.14°С, среднеквадратичное отклонение этой разности σ = 0.26aC. Трехсигмовый интервал разности результатов измерений относительно среднего значения в рассматриваемом случае оказался равен [-0.92 °С — + 0,64 °С]. Две точки с максимальной разностью измерений -1.05oC и -0.99θC (станции 56 и 71) выходят за этот интервал. Из табл. 34 и рис. 4.26 видно, что результаты измерения на этих станциях батометрическим методом существенно отличаются от результатов измерений на соседних станциях. В связи с этим можно заключить, что в этих точках результаты, полученные батометрическим методом, являются ошибочными и их можно исключить из рассмотрения. В таблице 34 приведены значения оценки математического ожидания и среднеквадратичного отклонения разности между данными,

I » .CΠK »..Батом иэм |

Рис. 4.26. Сопоставление результатов измерения температуры с помощью СПК и с помощью батометров

Рис. 4.27. Сопоставление результатов измерения водородного показателя с помощью СПК и с помощью батометров

Рис. 4.28. Сопоставление результатов измерения массовой концентрации растворенного кислорода с помощью СПК и с помощью батометров

полученные аппаратурой СПК и батометрическим методом, рассчитанные без учета измерений по станциям 56 и 71. В этой же таблице приведены значения суммарной погрешности используемых методов измерения, рассчитанной как корень квадратный из суммы квадратов погрешностей измерений каждого метода.

Таблица 37

Усредненные значения разностей показаний, полученных с помощью СПК и с помощью батометров

Измеряемый показатель Среднее

значение

разности показаний СПК и батометрии

Среднеквадра­тичное значение

разности

показаний

Суммарная

погрешность

методов

измерения

Температура, °С -0.09 0.15 ±0.1
Водородный показатель, ед. pH 0.11 0.11 ±0.3
Массовая концентрация

растворенного кислорода,

мг/л

0.13 0.2 ±0.5

Как видно из таблицы, среднеквадратичное значение разности показаний температуры несколько превосходит суммарную погрешность

*

методов измерения. В среднем температура, измеренная СПК, примерно на 0,1° ниже температуры, фиксируемой с помощью опрокидывающихся термометров. Это может быть объяснено тем, что измерения с помощью опрокидывающегося термометра проводились на поверхности, а измерения средствами СПК на заглублении около 1 метра.

Аналогичный анализ результатов измерений водородного показателя показал, что максимальные различия результатов, полученных обоими методами на станциях 70, К1 и 714, выходят за трехсигмовый интервал. При

⅛ этом результаты измерений батометрическим методом на этих станциях

резко отличаются не только от результатов измерений с помощью СПК, но и от результатов измерений в соседних точках (табл. 35 и рис. 4.27).

Исключив результаты измерений в точках 70, К1 и 714, получим оценки математического ожидания и среднеквадратичного отклонения разности результатов измерений, приведенные в таблице 36. Сопоставляя эти величины с погрешностью методов измерения, можно признать хорошим совпадение результатов измерений водородного показателя обоими методами.

Для определения концентрации растворенного кислорода при батометрических измерениях использовался иодометрический метод (метод Винклера), при измерениях средствами СПК использовался метод электрохимического датчика. Оба метода рекомендованы стандартами ИСО (ИСО 5813 и ИСО 5814 соответственно). Мешающие влияния, которым подвержены эти методы, различны и, поэтому, сопоставление результатов особенно интересно.

Анализ данных, приведенных в табл. 36 и на рис. 4.28, показывает, что на станциях 716, 62, 713, 78, 79 данные батометрических измерений не только резко отличаются от соответствующих результатов измерений СПК, но и от результатов измерений на соседних станциях и, по-видимому, являются ошибочными. Формальный анализ также показывает, что разности результатов измерений на этих станциях, а также на станции 711, выходят за трехсигмовый интервал и результаты этих измерений следует отбросить. Относительно большие различия между показаниями СПК и батометрическими данными на станциях 711, 712, 713 могут быть связаны с тем, что в этих точках работа проводилась на малых глубинах (3-4 м) при значительном взмучивании судном донных отложений. В соответствии с указаниями стандарта ИСО 5813 метод Винклера в этих случаях может дать значительные погрешности, вызванные наличием взвешенных частиц.

Из сопоставления приведенных в таблице 37 статистических оценок величин разностей измерений с суммарной погрешностью методов измерений следует, что и при измерении массовой концентрации

растворенного кислорода совпадение результатов измерений является хорошим.

Таким образом, по всем трем измеренным одновременно СПК и батометрическим методом параметрам - температуре, водородному показателю и массовой концентрации растворенного кислорода - совпадение результатов измерений с учетом отсеивания явно ошибочных результатов, полученных батометрическим методом, является хорошим. Характер ошибок при батометрических измерениях свидетельствует о том, что большинство из них, по-видимому, имеют субъективный характер и связаны с ошибками оператора. Автоматизированные методы измерений, используемые в СПК, в значительной степени лишены этого недостатка.

В таблице 38 приведены средние значения, среднеквадратичные отклонения (СКО) и экстремальные значения параметров, определяемых in siti с помощью входящей в СПК "Акватория" автоматической системы измерения физикохимических параметров водной среды в поверхностном слое вод Северного Каспия в период с 28 по 31 августа 2002 г. Наряду с непосредственно измеряемыми параметрами воды в СПК проводилась оценка в реальном масштабе времени солености воды и процентного содержания растворенного в воде кислорода.

Таблица 38

Результаты измерений с помощью СПК

Измеряемый показатель Среднее

значение

СКО Мини­

мальное

значение

Макси­

мальное

значение

1 2 3 4 5 6
1. Удельная

электропроводимость (УЭП),

См/м

1.14 0.55 0.037 1.74
2. Температура, °С 23.42 1.06 21.20 25.07
3. Массовая концентрация

растворен-ного кислорода,

мг/л

9.37 0.71 8.14 11.27

1 2 3 4 5 6
4. Водородный показатель, ед. рн 8.61 0.21 8.03 9.11
5. Окислительно-

восстановительный потенциал,

мВ

279.2 10.4 247.7 303.5
6. Соленость, %о 6.7 3.4 0.18 10.37
7. Процент насыщения кислородом, % 115 9.1 96 141

На рис. 4.29 приведено распределение солености по акватории моря, '» построенное путем аппроксимации полученных СПК данных по алгоритму

(3.10.8) с весовыми функциями (3.10,9) при m=8. На рисунке хорошо видно, как волжская вода проникает далеко на юг от дельты, причем основной поток направлен вдоль западного берега. На расстоянии свыше 100 миль от дельты соленость, воды в этом потоке не достигает значений, характерных для центральных районов моря. Морская вода с соленостью около 10%о поднимается к северу в центральной и восточной части акватории. Распреснение в этой струе начинается в областях, расположенных существенно ближе к дельте Волги (10-20 миль). Таким образом, построенная схема распределения солености наглядно демонстрирует наличие антициклонического течения в этой части моря. В центре вихря наблюдается обширная область с переходной соленостью 4-8%o, в которой

происходит смешивание вод.

В СПК "Акватория’1 заложен алгоритм вычисления солености, использующий стандартные полиномы, в соответствие с которыми определяется соленость воды в океане [158]. Каспийское море имеет отличный от океанических вод солевой состав, и поэтому абсолютные значения расчетных величин солености могут несколько отличаться от

'»■

истинных значений, что однако не должно исказить общую картину изменения солености по акватории. Отметим также, что в рассматриваемом

Рис. 4.29. Распределение солености по площади акватории Каспийского моря

Рис. 4.30. Графики изменения концентрации растворенного кислорода и высоты Солнца в момент измерения

случае расчетные значения солености оказались практически пропорциональными измеренным значениям удельной электропроводимости воды, это подтверждается приведенным ниже в таблице 38 очень высокими значением корреляции между данными параметрами. Это может быть объяснено тем, что на исследуемой акватории температура воды изменялась в относительно небольших пределах и величина удельной электропроводимости практически однозначно определялась соленостью воды.

Процентное содержание растворенного в воде кислорода в СПК рассчитывалось на основании измеренных значений массовой концентрации кислорода, температуры и расчетных данных по солености. Обращает на себя внимание очень высокая степень пересыщения кислородом, достигающая 140%. По-видимому, это пересыщение может быть объяснено высокой продуктивностью фитопланктона. Для проверки этого предположения была рассмотрена связь массовой концентрации растворенного кислорода с временем суток. На рис. 4.30 приведены усредненные на интервале 30 мин результаты измерений массовой концентрации растворенного кислорода (синяя кривая) и высота Солнца во время этих измерений (оранжевая кривая). Максимальная высота соответствует 14 часам московского времени. Из рисунка видно, что действительно основные пики массовой концентрации растворенного кислорода приходятся на дневное время. Высокая биологическая активность может быть также подтверждена большими значениями водородного показателя (до 9,1 ед. pH), который увеличивается в связи с потреблением углекислого газа в процессе фотосинтеза. Следует отметить, что наблюдаемые зависимости массовой концентрации растворенного кислорода от времени суток могут быть в значительной степени снивелированы пространственным изменением мест измерений, т.к. большая часть измерений в ночное время была проведена на значительном удалении от дельты Волги.

Проведем анализ корреляционных связей между регистрируемыми параметрами. В таблице 39 приведена корреляционная матрица, построенная по массиву данных, полученных СПК при работе в открытом море (измерения 28.08, 29.08 и 30.08). В таблице использованы следующие сокращенные обозначения параметров, которые будут использоваться в тексте в дальнейшем: УЭП — удельная электрическая проводимость, Т - температура, О2 — массовая концентрация растворенного кислорода, Eh — окислительно-восстановительный потенциал, pH - водородный показатель, S - соленость, Р - процент насыщения кислородом. При построении корреляционной матрицы архивные данные результатов измерений, записанные с частотой 1 Гц, усреднялись по временному интервалу, равному одной минуте, и по этим одноминутным значениям строилась корреляционная матрица. Всего при построении матрицы использовалось около 3300 одноминутных значений по каждому анализируемому параметру. Такой большой массив данных позволил получить оценки коэффициентов корреляции с хорошей статистической достоверностью. Так, при n=3300 доверительный интервал с 95% уровнем значимости для коэффициента корреляции r=0,5 будет равен [0.47 - 0.53], для r=0.8 - [0.78 - 0.815].

Таблица 39

Корреляционная матрица результатов измерений

УЭП Т о2 Eh pH S Р День

/Ночь

УЭП 1 0,70 -0,62 0,37 -0,89 0.9994 -0,31 -0,17
Т 0,70 1 -0,23 0,23 -0,69 0,66 0,12 0,08
O2 -0,62 -0,23 1 -0,25 0,71 -0,62 0,92 0,38
Eh 0,37 0,23 -0,25 1 -0,31 0,31 -0,14 -0,31
pH -0,89 -0,69 0,71 -0,31 1 -0,91 0,44 0,23
S 0,9994 0,66 -0,62 0,31 -0,91 1 -0,32 -0,23
Р -0,31 0,12 0,92 -0,14 0,44 -0,32 1 0,41
День

/Ночь

-0,17 0,08 0,38 -0,31 0,23 -0,23 0,41 1

.⅜

Для оценки влияния времени суток, в течение которого производились измерения, корреляционная матрица дополнена параметром "день/ночь", который принимал значение 1, если измерения проводились в светлое время суток (с 8 до 20 часов) и значение 0, если измерения проводились в темное время суток.

Как видно из таблицы 39, между большинством параметров существуют значительные корреляционные связи. Соленость, величина которой не должна зависеть от времени измерения, сильно коррелирована с большинством параметров, в то время как параметр "день/ночь” имеет наибольшие корреляции с показателями концентрации кислорода.

rA

Для более полного анализа корреляционной матрицы используем метод главных компонент [139], который позволяет выделить последовательность ортогональных линейных комбинаций измеряемых параметров, собственных векторов корреляционной матрицы, обладающих максимальной дисперсией. Эти собственные вектора можно рассматривать как новые переменные, позволяющие описать основные изменения в системе с помощью меньшего числа переменных. В соответствии с этим методом были вычислены для рассматриваемой матрицы собственные числа и их собственные вектора. Оказалось, что 88% общей вариабельности системы обеспечивается тремя первыми собственными векторами. В таблице 40 даны значения этих векторов и их собственные числа (L).

Таблица 40

Три максимальных собственных значения и соответствующие им собственные вектора корреляционной матрицы

№ вектора 1-й вектор 2-й вектор 3-й вектор
1 2 3 4
L 4.35 1.71 0.99
УЭП -0.45 0.21 0.02
Т -0.30 0.51 -0.02
о2 0,39 0.36 -0.25
Eh -0.21 -0.03 -0.79

1 2 3 4
pH 0.45 -0.11 -0.11
S -0.45 0.18 0.05
Р 0.27 0.57 -0.29
день/ночь 0.17 0.44 0.47

Как видно из таблицы, первый вектор (54% общей дисперсии системы) выделяет с близкими весами все параметры, за исключением Eh и параметра "день/ночь". В таблице 40 жирным шрифтом выделены весовые коэффициенты векторов, превышающие по модулю величину, равную 0,6*∣Wmax∣, где Wmax максимальный по модулю в векторе весовой коэффициент. Максимальные по модулю и практически одинаковые весовые коэффициенты в первом собственном векторе имеют УЭП, S и pH. Этот вектор, очевидно, характеризует процессы перемешивания волжских вод с водами Каспийского моря и изменяется с изменением расстояния от дельты Волга. Распределение этого вектора по площади акватории мало отличается от распределения солености, приведеного на рис. 4.29.

Второй вектор (21% суммарной дисперсии) выделяет группу параметров Р, Т, "день/ночь", Oj. Он подтверждает предположения об изменении концентраций кислорода, массовой и процентной, в зависимости от времени суток.

Третий вектор, дающий 12,5% общей дисперсии, выделяет два параметра - окислительно-восстановительный потенциал и "день/ночь". Он показывает, что значения окислительно-восстановительного потенциала также изменяются с временем суток, однако этот процесс прямо не связан с суточными изменениями концентрации кислорода. Причина этого явления требует дополнительного исследования.

Таким образом, использование СПК позволило за относительно короткое время набрать большой массив данных по характеристикам состава и свойств воды в Северном Каспии.

Отмечена высокая биологическая продуктивность акваторий Северного Каспия, что приводит к значительному пересыщению воды кислородом и увеличению водородного показателя.

Корреляционный анализ полученных данных показал, что изменения параметров воды в этом районе связано с двумя основными факторами — смешением вод Волги и Каспийского моря и суточным ходом параметров, связанным с высокой биологической продуктивностью моря в конце августа.

Возможность анализа пространственной и временной неоднородности вод на акватории основывается на новых технических возможностях СПК и, как правило, с необходимой детальностью не может быть решена с помощью традиционных методов отбора проб. Особенно удобны в этом отношении измерительные каналы с погружными датчиками, благодаря их малым постоянным времени. Конечно параметры, измеряемые этими датчиками (температура, удельная электропроводимость воды, степень минерализации, концентрация растворенного кислорода, водородный показатель, окислительно-восстановительный потенциал и др.), как правило, не характеризуют непосредственно степень загрязненности акватории и не позволяют предъявить штрафные санкции к виновникам загрязнений, однако они дают оператору важную оперативную информацию об определении места и времени анализа с помощью несколько более инерционных проточных анализаторов и о необходимости отбора проб воды для детального лабораторного анализа. Как показал накопленный опыт работы в различных акваториях, совокупность физикохимических параметров воды, определяемых погружными датчиками, позволяет хорошо различать воды разного происхождения, различные типы или классы воды и на этой основе решать многие практические задачи.

<< | >>
Источник: Гуральник Дмитрии Леонтьевич. Создание и Внедрение В практику экологического контроля и мониторинга судовых природоохранных комплексов [Электронный ресурс]: Дис. ... д-ра техн. наук : 03.00.16, 05.11.13 .-М.: РГБ, 2005. 2005

Скачать оригинал источника

Еще по теме 4.4. Экологический мониторинг внутренних и морских водных объектов с применением СПК.:

  1. ГИГИЕНИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ВОЕННОЙ ЭКОЛОГИИ
  2. Особенности формирования, клиники и диагностики хронического гастродуоденита у детей, проживающих на территориях санитарно-гигиенического неблагополучия
  3. Оглавление
  4. ВВЕДЕНИЕ
  5. 1.1. Источники, объемы, состав поступлений ЗВ в акватории от береговых объектов.
  6. 1.3. Требования нормативных документов по контролю качества вод.
  7. 1.5. Основные направления работ с использованием СПК в системе государственных природоохранных органов и экологических служб ВС РФ.
  8. ГЛАВА 2. Методология оперативного экологического контроля ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МОБИЛЬНЫХ НОСИТЕЛЕЙ. Концепция построения судовых природоохранных комплексов как принципиально НОВОГО СРЕДСТВА автоматизированного оперативного экологического контроля. Технический облик, СТРУКТУРА, БАЗОВЫЙ СОСТАВ, СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ.
  9. 2.1. Концепция (методология) оперативного контроля экологического состояния водных объектов на основе судовых природоохранных комплексов (СПК).
  10. 2.2. Обоснование требований и разработка предложений по техническому облику и структуре принципиально нового средства автоматизированного оперативного экологического контроля - СПК. Базовый состав СПК.
  11. 2.3.3. Средства экспрессного гидрохимического анализа.
  12. 2.5. Аппаратура дистанционного оптического лоцирования водной поверхности для обнаружения пленок нефти и нефтепродуктов и комплект приборов для отбора проб с поверхности воды и измерения толщины пленки.
  13. 4.1, Методы использования СПК и их отличительных особенностей при решении природоохранных задач.
- Акушерство и гинекология - Анатомия - Андрология - Биология - Болезни уха, горла и носа - Валеология - Ветеринария - Внутренние болезни - Военно-полевая медицина - Восстановительная медицина - Гастроэнтерология и гепатология - Гематология - Геронтология, гериатрия - Гигиена и санэпидконтроль - Дерматология - Диетология - Здравоохранение - Иммунология и аллергология - Интенсивная терапия, анестезиология и реанимация - Инфекционные заболевания - Информационные технологии в медицине - История медицины - Кардиология - Клинические методы диагностики - Кожные и венерические болезни - Комплементарная медицина - Лучевая диагностика, лучевая терапия - Маммология - Медицина катастроф - Медицинская паразитология - Медицинская этика - Медицинские приборы - Медицинское право - Наследственные болезни - Неврология и нейрохирургия - Нефрология - Онкология - Организация системы здравоохранения - Оториноларингология - Офтальмология - Патофизиология - Педиатрия - Приборы медицинского назначения - Психиатрия - Психология - Пульмонология - Стоматология - Судебная медицина - Токсикология - Травматология - Фармакология и фармацевтика - Физиология - Фтизиатрия - Хирургия - Эмбриология и гистология - Эпидемиология -