Введение к работе
Актуальность темы. Постоянное, интенсивное антропогенное воздействие привело к резкому ухудшению экологического состояния водоемов. В сложившейся ситуации наибольшее внимание к себе привлекли так называемые «техногенные» водоемы, находящиеся в промышленной зоне предприятий и на близлежащих территориях, которые прямо (утилизация отходов, сброс сточных вод) или косвенно (аварии, утечки, прорывы трубопроводов) подвергались интенсивному загрязнению данными предприятиями в течение длительного времени.
В целях обеспечения экологической безопасности промышленным предприятиям законодательно предписаны требования в отношении водных объектов, нарушение которых влечет за собой административную (взыскание штрафов) и уголовную ответственность, а также лишение разрешения на определенный вид деятельности. Административные органы территорий, на которых расположены «техногенные» водоемы также требуют от предприятий принятия радикальных мер в отношении указанных водных объектов. Кроме того, в связи с принятием нового Водного кодекса РФ, вступающего в законную силу с 1 января 2007 года, некоторые водные объекты могут быть переданы в руки юридического или частного лица на основе товарно-рыночных отношений. Водоёмы становятся товаром, ценовая политика которого будет формироваться и зависеть от ставок, установленных федеральными и муниципальными уровнями власти.
Пути решения проблемы относительно «техногенных» водоемов, как показала мировая практика, могут быть следующими: рекультивация (уничтожение, захоронение) водоема, очистка (полная или частичная), прекращение загрязнения водоема (либо уменьшение загрязнения).
Каждый из предложенных путей имеет определенные экологические последствия. Кроме того, мероприятия по восстановлению водоема являются очень дорогостоящими и длительными. Необходим поиск компромиссного решения, принятие которого должно основываться, прежде всего, на сведениях об экологическом состоянии самого водоема и тенденции его изменения.
Существующие на сегодня методы оценивания состояния водоема (определение ПДК, биомониторинг) дают представление лишь о его физико-химическом и биологическом состоянии на данный момент без возможности прогнозирования. Возникла необходимость преобразования современной системы контроля качества вод в экологический мониторинг, позволяющий оценивать и выявлять тенденции в изменении состояния водоема. Решение этой проблемы неразрывно связано с необходимостью перспективного прогнозирования.
Известно, что любая водная экосистема способна до некоторого предела противостоять антропогенной нагрузке, используя свою способность самоочищаться. Оценивание этой способности делает перспективное прогнозирование возможным, т.к. данная способность характеризует динамику всех протекающих в водоеме процессов.
Наиболее необходимым при определении способности водоема к самоочищению является оценивание способности к самоочищению донного осадка. Донный осадок, являясь последним звеном в сложной цепи естественной очистки, служит последним рубежом защиты водоема от негативного воздействия всех поступающих в него веществ. Способность донного осадка к самоочищению обусловлена способностью осадка к окислению, поглощению и разбавлению всех поступающих в него веществ. Интенсивность процессов самоочищения в верхнем слое донного осадка отображает интенсивность очистки водоема в целом.
Однако до настоящего времени нет методов и устройств, позволяющих определять способность водоема к самоочищению.
В связи с этим разработка информационно-измерительных систем и проведение анализа состояния донного осанка с целью определения способности водоёма к самоочищению является актуальной задачей, решение которой даст нам первый опыт в понимании и оценивании перспектив того или иного водоёма.
Впервые разработана информационно-измерительная система, позволяющая оперативно определять способность к самоочищению непосредственно в водоёме.
Целью диссертационной работы является разработка донной информационно-измерительной системы (ИИС) определения способности водоёма к самоочищению.
Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи:
-
Проведен анализ антропогенных факторов воздействия и их негативного влияния на экологическое состояние водных объектов.
-
Проведен анализ методов, используемых в современном экологическом мониторинге.
-
Проведен анализ методов определения способности экосистемы водного объекта к самоочищению.
-
Разработана математическая модель способности экосистемы водоема к самоочищению.
-
Разработана методика определения способности экосистемы водоема к самоочищению.
-
Разработаны структурная схема и измерительные каналы донной информационно-измерительной системы определения способности водоёма к самоочищению.
-
Проведен анализ погрешностей измерительной системы.
Методы исследований. При решении поставленных задач использовались методы теории функционирования водных экосистем, биоиндикации и биомониторинга, гидробиологического и гидрохимического мониторинга, электроаналитической химии, теория автоматического управления, теории электрических цепей, теории погрешностей результатов измерений. Для подтверждения результатов теоретического анализа использовались методы экспериментального исследования и моделирования.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
В диссертации поставлена и решена задача построения информационно-измерительной системы определения способности водной экосистемы к самоочищению в оперативном режиме непосредственно в водоёме.
-
Предложена новая концепция перспективного прогнозирования способности водоема к самоочищению.
-
Разработана математическая модель способности водной экосистемы к самоочищению, учитывающая основные влияющие на данную способность факторы и методика определения указанной способности.
-
Предложена классификация водных объектов на основании их способности к самоочищению, выявлены критерии кризисного и погибшего водоёма.
-
Впервые введено определение периода самоочищения водной экосистемы и приведена градация водных объектов в зависимости от периода самоочищения.
-
Разработан метод измерения окислительно-восстановительного потенциала в слое донного осадка.
-
Разработана структура ИИС определения способности водоема к самоочищению непосредственно в водоёме и проведен анализ ее метрологических характеристик.
-
Проанализированы методологические и аппаратурные погрешности ИИС.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
-
Разработанная донная ИИС определения способности водоёма к самоочищению будет наиболее полезна предприятиям различной промышленности, использующим расположенные на их или на прилежащих территориях водные объекты с целью утилизации отходов, и различным экологическим службами.
-
Предложенная новая концепция позволяет прогнозировать экологического состояния водного объекта, оценивая его способность самоочищению.
-
Разработанная математическая модель способности водной экосистемы к самоочищению позволяет судить об экологической перспективе водоема по распределению окислительно-восстановительного потенциала в слое донного осадка и температуре.
-
Разработанная методика позволяет оценивать способность водной экосистемы к самоочищению как низкую, ограниченную или высокую, выявить кризисную ситуацию в водоеме, когда его экосистема не справляется с общей нагрузкой, а также определить уже погибшую экосистему.
-
Разработанная структура ИИС позволяет оперативно определять способность водной экосистемы к самоочищению непосредственно в водоёме в любой момент времени.
Реализация результатов работы. На основе полученных в работе результатов разработана донная ИИС определения способности водной экосистемы к самоочищению, которая внедрена на базе Средволжрыбпрома.
На защиту выносятся следующие положения:
-
Концепция перспективного прогнозирования экологического состояния водоема по его способности самоочищению.
-
Математическая модель способности водоема к самоочищению и методика определения данной способности.
-
Метод измерения окислительно-восстановительного потенциала в слое донного осадка.
-
Структурная схема донной ИИС определения способности водоёма к самоочищению и ее метрологические характеристики.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Международной конференции «Black Sea’2004» (г.Варна, Болгария, 2004г.), Всероссийской научно-технической конференции «БИОМЕДСИСТЕМЫ – 2004» (г. Рязань, 2004г.), Международной конференции «Информационно-измерительные и управляющие системы – 2005» (г. Самара, 2005г.), 12-й международной научно-технической конференции студентов и аспирантов “Радиоэлектроника, электротехника и энергетика” (г. Москва 2006); научно-технических семинарах кафедры “Информационно-измерительная техника” Самарского государственного технического университета.
Публикации. Результаты работы отражены в 5 статьях и 3 трудах международных и Всероссийских конференций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, 1 приложения и списка литературы из 71 наименования. Основная часть изложена на 129 страницах машинописного текста и содержит 27 рисунка и 23 таблиц.
