автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Донная информационно-измерительная система определения способности водоёмов к самоочищению

На правах рукописи

ТОЛОКНОВА Анна Николаевна

ДОННАЯ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ОПРЕДЕЛЕНИЯ СПОСОБНОСТИ ВОДОЁМОВ К САМООЧИЩЕНИЮ

Специальность 05 11 16 - Информационно-измерительные и

управляющие системы (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Самара - 2007

Работа выполнена на кафедре «Информационно-измерительная техника» Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Самарский государственный технический университет»

Научный руководитель

Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Куликовский Константин Лонгинович

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Орлов Сергей Павлович, ОАО Институт «Средволгагипроводхоз», г Самара

кандидат технических наук Рубцов Михаил Геннадьевич, ООО Научно-производственный центр «ПАЛС», г Самара

Ведущая организация Отдел водных ресурсов по Самарской об-

ласти Нижне-Волжского бассейнового водного управления, г Самара

Защита диссертации состоится «14» ноября 2007 г в 9 00 часов на заседании диссертационного совета Д 212 217 03 ГОУВПО «Самарский государственный технический университет» (СамГТУ) по адресу г Самара, ул Галактионовская, 141, корпус 6, ауд 28

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного технического университета по адресу г Самара, ул Первомайская, 18

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим^ направлять по адресу 443100 г Самара, ул Молодогвардейская, 244, Са^ГТУ, главный корпус, ученому секретарю диссертационного совета Д 212 217 03, факс (846) 278-44-00, e-mail d21221703@listru

Автореферат разослан «12» октября 2007 г

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212 217 03

Губанов Н Г

1 ОБЩАЯ ХАРАКТЕТИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ 1.1 Актуальность работы

В ситуации постоянного вредного воздействия человека на окружающую среду наибольшую тревогу вызывает экологическое состояние так называемых «техногенных» водоёмов, которые находятся в промышленной зоне предприятий и на близлежащих территориях, и прямо (утилизация отходов, сброс сточных вод) или косвенно (аварии, утечки, прорывы трубопроводов) подвергаются интенсивному загрязнению данными предприятиями в течение длительного времени

Предприятиям необходима оценка эколо! ического состояния «техногенных» водоемов, ответственность за которые полностью лежит на предприятиях их загрязняющих Следуя мировой практике, «техногенные» водоемы могут быть подвержены рекультивации (уничтожению, захоронению), полной или частичной очистке при отсутствии дальнейшего загрязнения, а также могут быть уменьшены объемы сбросов или вовсе прекращены При выборе любого из предложенных способов необходимо оценивать и экологические последствия, и материальные затраты на их реализацию Например, мероприятия по восстановлению экологического баланса водоёма являются дорогостоящими и длительными Поэтому необходим поиск компромиссного решения, принятие которого должно основываться, прежде всего, на сведениях об экологическом состоянии самого водоема и тенденции его изменения, что позволит решить проблему с наименьшим ущербом для природы и с наименьшими затратами средств

Кроме того, сведения об экологических перспективах водоема необходимы для формирования в его отношении ценовой политики, которая будет зависеть не только от ставок, установленных федеральными и муниципальными уровнями власти, но и от возможности дальнейшего использования водного объекта в различных целях, что вызвано возможностью передачи водоема в руки юридического или частного лица на основе товарно-рыночных отношений в связи с принятием 1 января 2007 года нового Водного кодекса РФ

Решение этой проблемы неразрывно связано с необходимостью перспективного прогнозирования экологического состояния водоёма Поэтому возникла необходимость преобразования современной системы контроля качества вод в экологический мониторинг, позволяющий оценивать и выявлять тенденции в изменении состояния водоема Существующие на сегодня методы оценивания экологического состояния водоема (определение предельно допустимых концентраций, биомониторинг и т д ) дают представление лишь о его физико-химическом и биологическом состоянии на данный момент

Однако известно, что любая водная экосистема способна до некоторого предела противостоять антропогенной нагрузке, используя свою способность

самоочищаться Оценивание способности водоема к естественному самоочищению делает прогнозирование возможным, т к данная способность характеризует динамику всех протекающих в водоеме процессов

При определении способности водоема к самоочищению необходимо оценивать способность к самоочищению его донного осадка Донный осадок, являясь последним звеном в сложной цепи естественной очистки, служит последним рубежом защиты водоёма от негативного воздействия всех поступающих в него загрязнителей Интенсивность процессов самоочищения в верхнем слое донного осадка отображает интенсивность очистки водоема в целом

Однако в настоящее время не существует методов и систем, позволяющих определять способность водоёма к самоочищению на основании распределения окислительно-восстановительного потенциала в его донном осадке

В связи с этим разработка информационно-измерительной системы, которая позволяет непосредственно в водоеме проводить оценку окислительно-восстановительных процессов, протекающих в донном осадке, и осуществлять анализ способности данного водоема к самоочищению (СВС), является актуальной задачей, решение которой дает нам первый опыт в понимании и оценивании перспектив развития экологического состояния того или иного водоема

1 2 Цель работы

Целью диссертационной работы является разработка и исследование методов оценки способности водоема к самоочищению и создание донной информационно-измерительной системы (ИИС) определения способности водоема к самоочищению, позволяющей оперативно проводить прогнозное оценивание состояния водных экосистем

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи

1 проведен анализ способности водоема к самоочищению, негативного влияния на нее загрязнений, антропогенного происхождения, и методов экологического мониторинга водных объектов, расположенных на территории РФ, с целью выявления чувствительного критерия оценки, позволяющего реализовать перспективное прогнозирование состояния «техногенных» водоемов и выработки требований к методу измерения, структуре и конструкции разрабатываемой ИИС,

2 на основании требований и критериев проведено исследование методов определения способности экосистемы водного объекта к самоочищению с целью выбора метода, позволяющего реализовать оперативную оценку способности к самоочищению непосредственно в водоеме,

3 проведён анализ методической погрешности метода ЕЙ-метрии,

4 разработана модель способности водной экосистемы к самоочищению и на ее основе разработана методика определения способности водоема к самоочищению.

5 синтезирована структура донной ИИС определения способности водоема к самоочищению, разработаны и исследованы ее измерительные каналы, исследованы методические и аппаратурные погрешности измерительной системы,

6 разработана оригинальная конструкция погружаемого модуля (зонда) донной измерительной системы с применением современных комплектующих вычислительной и измерительной техники

1.3 Методы исследований

При решении поставленных задач использовались методы теории функционирования водных экосистем, гидробиологического и гидрохимического мониторинга, электроаналитической химии, теории электрических цепей, теории погрешностей результатов измерений, теория автоматического управления Для подтверждения результатов теоретического анализа использовались методы экспериментального исследования и моделирования

1.4 Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1 Предложена концепция прогнозирования состояния водоема на основании его способности к естественному самоочищению, которая в отличие от существующих позволяет выявить тенденцию изменения экологического состояния водной среды под действием уже накопившегося уровня загрязнения, используя экстраполяционный подход

2 Предложена классификация водных объектов на основании их способности к самоочищению, выявлены критерии кризисного и погибшего водоема, введено понятие периода самоочищения и на его основании приведена градация водных объектов, что дает возможность построения более точного и обоснованного прогноза

3 На основании теоретических и большою объёма экспериментальных натурных исследований разработана модель способности водоёма к самоочищению, позволяющая учитывать основные влияющие на данную способность факторы и дающая возможность оценки протекания процесса естественного очищения

4 Проведен анализ методических погрешностей метода £й-метрии, который позволил предложить некоторые пути их уменьшения, что ранее не проводилось

5 На основании предложенной модели способности водоема к самоочищению разработана методика, позволяющая не только оценивать способности водоема к естественному самоочищению, но и определять период времени, необходимого для самоочищения

6 Предложено конструктивное исполнение погружаемого модуля (зонда) донной информационно-измерительной системы определения способности

водоема к самоочищению, позволяющее реализовать пошаговое заглубление измерительных элементов в слой донного осадка непосредственно в водоеме.

7 Предложена структура донной ИИС, позволяющей оперативно непосредственно в водоеме прогнозировать состояние водной экосистемы путем определения ее способности к естественному самоочищению, проанализированы ее аппаратурные погрешности

1.5 Практическая ценность работы

1 Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили создать базу для проектирования и разработки донной ИИС, предназначенной для перспективного прогнозирования состояния водоёма на основании его способности к естественному самоочищению, которая будет наиболее полезна предприятиям различной промышленности, использующим расположенные на их или на прилежащих территориях водные объекты с целью утилизации отходов. Также система успешно может применяться на очистных сооружениях и в сельскохозяйственной отрасли.

2 Разработанная методика, позволяющая классифицировать водные объекты на основании их способности к самоочищению, выявлять водоёмы с кризисной экосистемой и водоёмы с погибшей экосистемой, определять период самоочищения для способных к естественному самоочищению водоёмов, может быть включена в программу экологического мониторинга природных поверхностных вод и применяться различными экологическими службами и природоохранными организациями

1.6 Основные научные положения, выносимые на защиту

1 Экстраполяционная концепция перспективного прогнозирования экологического состояния водоёма на основе оценки его способности к естественному самоочищению дает новый виток в направлении развития класса прогнозных ИИС

2. Модель способности водоема к самоочищению, полученная на основании теоретических и экспериментальных натурных исследований, учитывает основные факторы, влияющие на естественное самоочищение водоема.

3. Методика определения способности водоема к самоочищению позволяет классифицировать водные объекты на основании их способности к самоочищению, выявлять водоемы с кризисной экосистемой и водоемы с погибший экосистемой, определять период самоочищения для способных к естественному самоочищению водоемов, состоятельность которой подтверждена результатами экспериментальных данных

4 Оригинальная идея конструктивного исполнения погружаемого модуля (зонда) ИИС, которая позволяет реализовать оценку способности к самоочищению непосредственно в водоеме

1.7 Реализация результатов работы

Методика определения способности водоёма к самоочищению и макет информационно-измерительной системы опробованы и используются на ФГУ «Средволжрыбвод»

1.8 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 );

- международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г Москва, 2006г и 2007г ),

- научно-технических семинарах кафедры «Информационно-измерительная техника» Самарского государственного технического университета.

1.9 Публикации. Основное содержание диссертационной работы изложено в 9 печатных работах 5 статей и 4 научных доклада, в том числе из перечня, рекомендованного ВАК России - 1.

1.10 Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 разделов, заключения, приложения, перечня используемой литературы Работа содержит 161 с машинописного текста, 19 таблицы, 26 иллюстраций, 1с приложения и 7 с библиографического списка из 84 наименований

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследования, определена научная новизна и практическая ценность работы

В первой главе проведён анализ способности водоема к самоочищению Выявлено негативное влияние антропогенных факторов на способность водоема к самоочищению

В водоёме постоянно идёт обмен потоками веществ, энергии и информации между поверхностной, пелагической и донной экосистемами, а также водной экосистемой и атмосферой Загрязнение вследствие антропогенной деятельности приводит к нарушению этих потоков Состояние водоёма по-

стоянно изменяется, отмечается падение устойчивости его экосистемы вследствие нарушения пищевой пирамиды и ломки сигнальных связей в биоценозе, биологического загрязнения, эвтрофирования и других неблагоприятных процессов

Каждый водоем в определенных пределах способен противостоять негативу антропогенной нагрузки, используя свои внутренние ресурсы, т е обладает способностью к самоочищению Способность водоёма к самоочищению (СВС) определяется способностью к самоочищению его донного осадка, который является последним звеном в сложной цепи естественной очистки и служит последним рубежом защиты водоёма от негативного воздействия всех поступающих веществ

На основании анализа способности водоема к самоочищению и негативного влияния на нее загрязнений антропогенного происхождения, а также методов экологического мониторинга водных объектов, расположенных на территории РФ, формулируются цель и задачи исследования

Во второй главе проведен анализ методов определения способности водной экосистемы к самоочищению, обоснован выбор метода £/г-метрии Проанализированы методические погрешности определения способности водоема к самоочищению методом £й-метрии

Сравнительный анализ в соответствии со спецификой сформулированных задач позволил установить, что методом, реализующим прогнозное оценивание, является метод Ек-метрии, основанный на определении способности водоема к самоочищению по вертикальному распределению окислительно-восстановительного потенциала Ек в верхнем слое донного осадка и толщине его защитного слоя к

В методе £/г-метрии рассчитывается оценочный коэффициент способности водоема к самоочищению по формуле*

(М>0)СР (1)

Ек^ Н

где (ей > 0)ср - среднее значение (Ек > 0), к - толщина слоя окисленных осадков с микроаэроэфильными условиями с (Ек > 0), Ектах - максимальная

величина окислительно-восстановительного потенциала в слое донного осадка, Я - теоретическая толщина слоя осадка с активной биотурбацией

При Ксд близкому к 0 водоем практически не справляется с нагрузкой и способность к самоочищению низкая, при Ксо~ 1 - способность к самоочищению высокая

Использование Ек в качестве оценочного параметра позволяет говорить о достоверности метода Ек-метрии, так как окислительно-восстановительный потенциал является интегральным параметром, который отображает протекание, активность и сбалансированность биогеохимических

процессов на последней стадии переработки органических остатков и загрязнений в донном осадке.

Также в разделе поведён анализ методических погрешностей метода ЕИ-метрии

Одной из причин возникновения погрешности является то, что в методе £й-метрии не учитывается температура, которая оказывает влияние на окислительно-восстановительный потенциал Установлено, что между значениями окислительно-восстановительного потенциала (ЕИ), полученными без учета температуры и значениями окислительно-восстановительного потенциала, полученными с учётом температуры (ЕИ,), максимальная разница А,(Л, = ЕИ-ЕИ,) составляет 20 мВ Максимальное относительное значение разницы между значениями окислительно-восстановительного потенциала, полученными с учетом температуры и без учета, 3, равно

' ЕИ,

и составляет 6,73%

Уменьшить или компенсировать эту составляющую можно посредством измерения температурного режима в защитном слое донного осадка с последующей поправкой на температуру получаемых в процессе измерения значений потенциала

Другой причиной возникновения погрешности также является ситуация, когда измерение распределения окислительно-восстановительного потенциала в слое донного осадка проводиться не вертикально, а с некоторым углом отклонения (а * 0) (рисунок 1)

Такая ситуация часто возникает на практике, когда из-за различных механических препятствий (камней, мусора и т д.) или неровности поверхности самого дна водоема датчик Ек внедряется в защитный слой осадка с некоторым отклонением от вертикали Это влечет за собой ошибку определения реальной глубины А, нахождения г точки (реальной толщины защитного слоя) и ошибку определения истинного значения потенциала я, в каждой г точке реальной толщины слоя

Установлено, что определить реальную глубину ь, нахождения г точки можно, используя формулу (2)

соб сс ^ (2)

где к, — глубина внедрения датчика Ек в слой донного осадка, которую можно найти при организации измерительной процедуры как произведение числа шагов заглубления на ширину шага Градусная мера угла а определяется аппаратурно

Рисунок 1 - Датчик ЕЙ внедрен в слой донного осадка с некоторым отклонением от вертикали, где а - угол отклонения заглубления измерительной части датчика ЕЙ от вертикали; /-длина измерительной части датчика Ек, с1 - длина основания, в котором перпендикулярно закреплен датчика ЕИ (I и задаются конструктивно); И, - реальная глубина нахождения /

измерительная часть датчика Ек в слой донного осадка под углом а в г точке; р - угол между плоскостью основания, & которой перпендикулярно закреплен датчика Ек и плоскостью поверхности дна; а - длина незаглубленной измерительной части датчика ЕИ.

На рисунке 1 потенциал, измеренный в точке 2, находящейся на глубине /?, в слое донного осадка при внедрении датчика ЕИ с некоторым отклонением от вертикали, равен . Значение измеренного потенциала Е1 в точке 2 отлично от значения потенциала Е, в точке 1. При определении реальной глубины к, нахождения / точки получаем, что в точке 1 значение потенциала равно Е1. Это является причиной возникновения погрешности определения значения потенциала Д£,- в каждой / точке при отклонении внедрения датчика Ек в слой донного осадка от вертикали:

точки (реальная толщина защитного слоя донного осадка); А,- - глубина, на которую заглублена

-V

(4)

где а, - градусная мера угла а в каждой г точке. Относительная погрешность 8

- А,- ■ ссв от,-

Ксо ■ 6500

со

-1 -100% •

(5)

Установлено, что своего максимального значения 8В достигнет при максимальной реальной толщине защитного слоя (А= 1 Осм) и будет зависеть от угла а (рисунок 2).

Рисунок 2 - Зависимость погрешности dEi от угла отклонения от вертикали и толщины слоя донного осадка.

Из этого рисунка следует, что с увеличением угла а отклонения от вертикали погрешность 5т будет увеличиваться на протяжении всего процесса заглубления датчика Eh в слой донного осадка.

Также причиной возникновения погрешности является непостоянство длины шага заглубленияАш (Аш =h,~, где /-1,2,...и), которая при равномерном заглублении постоянна кш = const ■ На практике часто возникает ситуация, когда заглубление неравномерно ( аш ф const) из-за неоднородности донного осадка.

При измерении потенциала Е, на глубине h, (точка 2) на самом деле получаем значение потенциала Е, на глубине /г, (точка 3) (рисунок 1). Это является причиной возникновения погрешности заглубления в каждой i точке измерения потенциала

Eih

■■ Ксп • 6500 •

h; + Ah hi ■ cos a.i \ i i i j

(6)

где Л/г = /г, - й, - погрешность шага заглубления.

Установлено, что при аппаратурной реализации равномерного заглубления погрешность заглубления АЕт будет зависеть от физической неоднородности донного осадка.

Общая погрешность измерения потенциала ДЕ в каждой / точке равна

005 £,, (7)

Аг = Кгп -6500--

А,- + ДА

В третьей главе произведены разработка и анализ модели СВС Представлены результаты экспериментальных исследований, подтверждающие адекватность разработанной модели СВС

Анализ показал, что способность донного осадка к самоочищению зависит от распределения в нем окислительно-восстановительного потенциала Верхний слой донного осадка с распределением положительных значений окислительно-восстановительного потенциала (слой, в котором протекают процессы окисления) является защитным от негативного загрязняющего воздействия Толщина защитного слоя зависит от глубины нахождения «нулевой точки» потенциала (£й=0), которая является границей между зонами с окисленным и восстановленным состоянием веществ Чем выше поднимается «нулевая точка» ЕИ по вертикали в слое донных осадков, тем способность донного осадка к самоочищению ниже, и наоборот

Определен нижний предел способности водоёма к самоочищению При {ЕЙ > 0)ср- 97,5 мВ в толще донного осадка 1 см ситуация в водоёме считается критической (рисунок 3)

На рисунке 3 кривая 1 описывает поведение водной экосистемы, находящейся в кризисной ситуации, но которую еще можно спасти проведением соответствующих водоохранных мероприятий Кривая 2 описывает уже погибающую водную экосистему, спасти которую не представляется возможным.

Также установлено, что способность экосистемы водного объекта к самоочищению, зависящая от способности донного осадка к самоочищению, определяется распределением окислительно-восстановительного потенциала ЕЙ и температуры в осадке и его толщиной к:

ЗРсАЕИ/СМ) (8)

На рисунке 4 представлена зависимость окислительно-восстановительного потенциала Ек от температуры (°С и толщины защитного слоя к, где область 1 описывает ситуацию в водоёме с низкой СВС, область 2-е ограниченной СВС, область 3-е высокой СВС

Рисунок 3 - Кривая развития критической ситуации в экосистеме водоёма

Рисунок 4 - Зависимость окислительно-восстановительного потенциала Ек от температуры и толщины защитного слоя донного осадка

Из рисунка следует, что с увеличением толщины защитного слоя И окислительно-восстановительный потенциал увеличивается, следовательно, СВС также возрастает.

Количественной оценкой СВС является коэффициент, который на основании (1) и (5) зависит от измеренного потенциала, температуры и толщины защитного слоя донного осадка:

К5Ра=/{ЕмВ,1°С^). (9)

С целью подтверждения влияния толщины защитного слоя донного осадка и распределения в нем окислительно-восстановительного потенциала на СВС были проведены экспериментальные исследования в водоёмах с разной самоочищающейся способностью. Измерения окислительно-восстановительного потенциала в десятисантиметровом слое донного осадка проводились с шагом 0,5 см непосредственно в водоёмах. В качестве объектов исследования были взяты следующие водные объекты Самарской области: пруд «Питьевой», пруд в овраге села Александровка, пруд в овраге Бабкин, пруд на реке Падовка. Результаты экспериментов представлены на рисунке 5.

Рисунок 5 - Распределение окислигельно-восстановительного потенциала в верхнем слое донного осадка пруда на реке Падовка (график 1), в овраге с. Александровка (график 2), на овраге Бабкин (график 3), пруда «Питьевой» (¡рафик 4).

Для определения СВС исследуемых водоемов для каждого из них рассчитывался коэффициент СВС Ксо по формуле (1). На основании полученных данных сделан вывод, что пруд на реке Падовка обладает низкой СВС, пруд в овраге Бабкин и пруд в овраге села Александровка - ограниченной СВС, а пруд «Питьевой» - высокой СВС

Полученные результаты экспериментальных исследований подтверждаются результатами экологического мониторинга, проводимого в течение длительного периода времени, что доказывает необходимость изучения распределения окислительно-восстановительного потенциала в верхнем слое донного осадка

Также установлено, что температура оказывает влияние на окислительно-восстановительный потенциал Eh, однако это влияние не приводит к уменьшению или увеличению СВС, те влияние температуры на окислительно-восстановительный потенциал осуществляется в пределах данной способности, что было подтверждено результатами экспериментальных исследований

Также в разделе был проведён анализ СВС с позиции периода естественного самоочищения Введено понятие периода самоочищения водной экосистемы tSPa. Предложены новые интервалы значений оценочного коэффициента СВС, позволяющие классифицировать водные объекты по их способности к самоочищению и выявлять водоемы с погибшей экосистемой и с экосистемой, спасти которую представляется возможным (таблица 1), которые могут быть использованы при любой температуре в диапазоне от плюс 5 до 35°С

Проводимые на водных объектах Самарской области экспериментальные исследования подтверждают результаты теоретических исследований

Таблица 1

СВС (Eh>0)cp А Kspa tspa

SPa 0 Не существует (0,1) Не существует —

SPa криз (0, +195) (0,1) <0,015 —

SPa низ (+50, +650) (0,2) 0,015-0,2 Более 25 лет

SPa огр (+185, +427) (2,7) 0,2-0,46 10-25

SPa еыс (+300,+650) (7,10) >0,46 Менее 10 лет

В четвёртой главе содержится разработка донной информационно-измерительной системы определения способности водоема к самоочищению Рассмотрена структурная схема (рисунок 6) донной ИИС, позволяющей определять СВС донного осадка, реализуя измерительную процедуру непосредственно в водоёме

Система состоит из двух модулей (бортового и погружаемого), соединенных каналом связи, представляющего собой кабель

Основной частью бортового модуля, как и для решения большинства задач сбора и обработки аналитической информации, является микро-ЭВМ

Рисунок 6 - Обобщенная структурная схема донной ИИС определения способности экосистемы водного объекта к самоочищению

В состав погружаемого модуля (зонда) донной ИИС входит ряд датчиков ~ датчик окислительно-восстановительного потенциала, д - датчик

температуры, дк - датчик крена, д3 - датчик заглубления) с унифицирующими измерительными преобразователями УИП1 - УИП4, блок предварительной обработки информации БПОИ (совокупность коммутатора К, аналого-цифрового преобразователя АЦП и микроконтроллера МК), а также модуль управления заглублением МУЗ, обеспечивающий механическое внедрение измерительных элементов в слой донного осадка посредством блока управления заглублением БУЗ

Преимуществом рассмотренной структуры является возможность расширения функций ИИС путем введения в состав её погружаемого модуля дополнительных каналов измерения, что позволяет адаптировать измерительную систему к решению более сложных задач измерения

В разделе особое внимание уделено реализации измерения окислительно-восстановительного потенциала в защитном слое донного осадка Рассмотрены особенности датчика ЕЙ и проведен анализ его основных метрологических характеристик

Датчик ЕИ представляет собой электродную пару, состоящую из измерительного электрода и электрода сравнения, который погружают в слой донного осадка Донный осадок - эта среда, представляющая собой жидкообраз-ную массу с включением разноразмерных дисперсионных частиц различной физической и химической природы, и являющаяся электролитической системой При пропускании электрического тока, на выходе датчика ЕЙ формируется электродный потенциал Е, равный разности потенциалов измерительного электрода (еиэ ) и электрода сравнения ( еэс )

£ ~ Еиэ ~ £эс •

(10)

Установлено, что при измерении окислительно-восстановительного потенциала в природных водоемах в качестве измерительного электрода необходимо использовать платиновый электрод, который обладает достаточной чувствительностью в измеряемом диапазоне потенциала, а в качестве электрода сравнения - каломельный или хлоридсеребряный насыщенные электроды, потенциал которых не зависит от свойства исследуемой среды и принимается постоянным Значения измеренных потенциалов, полученных относительно либо каломельного, либо хлорсеребряного электродов, необходимо приводить к шкале электродных потенциалов, за нулевое значение которой принимается потенциал водородного электрода (потенциал водородного электрода при всех температурах равен нулю) Данная необходимость обусловлена самим методом £/г-метрии

Метрологические характеристики датчика Ек были проанализированы на примере электродной пары, состоящей из платинового измерительного электрода и насыщенного каломельного электрода сравнения Для каломельно-платинового датчика Ек (Ет ) функция преобразования имеет вид

ею = (0,963 + * - 0,2412 = 0 7218 + 5ЭЛ * ' ( *1)

аш> ашо

где $эп - крутизна электродной функции, которая является характеристикой электрода (каждому типу электродов присуща своя крутизна электродной функции и может рассматриваться как величина постоянная)

Из выражения (11) следует, что измеряемый потенциал будет зависеть от отношения количества вещества компонентов, находящихся в донном осадке в окисленной и восстановленной формах (при известных стандартных потенциалах электродов и электродной функции) Таким образом, измеряемая электродной парой величина потенциала, отличная от нуля, указывает на тенденцию в системе к окислению или восстановлению, тем самым, указывая на способность донного осадка самоочищаться

Одной из причин возникновения методической погрешности является сама организация электрохимической системы, предназначенной для измерения электродных потенциалов Измерение окислительно-восстановительного потенциала осуществляется на измерительном электроде относительно электрода сравнения, потенциал которого не зависит от состава исследуемой среды и принимается постоянным Однако это достигается лишь использованием насыщенных электродов сравнения

Также причиной возникновения методической погрешности является диффузионный потенциал Значение электродного потенциала Еэксп, полученного экспериментально, также содержит дополнительный потенциал вд, не связанный с формированием двойного электрического потенциала.

17

Е-зксл =Е + ед,

где Е - разность электродных потенциалов, образующихся на границе электрод - раствор.

Диффузионный потенциал меняется во времени из-за выравнивания концентрации присутствующих в исследуемой среде веществ, что приводит к систематическим ошибкам и плохой воспроизводимости измерений

Исключение влияния диффузионного потенциала или его минимизация также достигается использованием насыщенных электродов сравнения.

Причиной возникновения инструментальной составляющей погрешности датчика ЕИ является отклонение конструктивных параметров датчика от их номинальных значений К ним можно отнести дрейф стандартного электродного потенциала и отклонение реальной крутизны электродной функции от теоретического значения Оба эти фактора возникают в процессе старения электрода

Проведен анализ результатирувдцей погрешности измерения Eh Представляя обобщенную функцию преобразования датчика Eh в виде

E = soю+$эл ]%а-£ЭС> О3)

где стандартный потенциал измерительного электрода ейИЭ определяется выбором материала электрода, при этом для всех электродов характерен дрейф стандартного потенциала, а = аох]аШ), еэс =comt, получаем.

dE = de0l[3+d(S3JI Igo) (14)

Абсолютная погрешность измерения потенциала равна

д£ = д«'0яэ+д(5'эл Igo) = Аа'ода + ^эл + ssji А1ёа> (15)

тогда относительная погрешность измерения потенциала определяется в виде.

^ АЕ = ^sofí3+lga &S3JI+S3JI -Alga ^ Е £оиэ + s3ii 1ёа

Ьеоиэ ; )ga , S3jj Alga _

€пиэ + S3ji ha £ойэ + $эл 18в 8шз + 5э.я '§«

Аеоиэ i Igg AS3JI ^ Sm Alga ЕЕ Е

Из выражения (16) видно, что на результатирующую погрешность измерения потенциала оказывает влияние изменение концентрации веществ а, участвующих в электродном процессе, дрейф стандартного электродного потенциала Аеоиэ, а также отклонение реальной крутизны электродной функции А$эл от теоретического значения.

Установлено, что при определении СВС непосредственно в водоёме погрешность измерения датчика ЕЙ должна быть не более ±4мВ, а глубина шага внедрения датчика Ек не должна превышать Змм.

Для определения минимального количества вещества компонентов, входящих в окислительно-восстановительную систему донного осадка, определена плотность тока обмена г0 > 0,6 1(Г9 А см ~2, обеспечивающая выполнение уравнения Нернста с достаточной точностью Установлено, что, чем меньше 10, тем более ограничен концентрационный интервал Определить минимальное количество вещества компонентов можно из условия

О?)

пР \аох а№Л

где ц - допустимая погрешность измерения, Я - универсальная газовая постоянная, Т - абсолютная температура, F - постоянная Фарадея, п ~ число электронов, принимающих участие в электродной реакции; аох, ашв - количество вещества компонентов в окисленной и восстановленной форме

Учитывая, что допустимая погрешность измерения составляет ±4мВ, на основании (17) получаем.

2 10 \аох ато

Отсюда

аох амр -.25 Ю-3 0,6 Ю"9.^ 10-б Моль аох + аРХо 2 10'г 4 ю-3

Таким образом, если аох то аох >36 10 Ми аКЕ0 > 36 10~6М:

если аох »ата, то аКЕО > 18 Ю^М, если аши »аох, то аох > 18 10~6М Тем самым, количество вещества каждой из форм окислительно-восстановительной системы донного осадка не должно быть ниже 10 _б М.

Установлена зависимость измеряемого потенциала от соотношения количества вещества компонентов, входящих в окислительно-восстановительную систему донного осадка (рисунок 7)

i 300 1

/ 80 /V

/»*>

У Щ/ /ГУ

:_1

^/•255.

——" У41

/ /

Рисунок 7 - Зависимость измеряемого потенциала от соотношения количества вещества компонентов, входящих в окислительно-восстановительную систему донного осадка

Из рисунка следует, что с увеличением количества веществ

нахо-

дящихся в окисленном состоянии, и уменьшением количества веществ аД£0, находящихся в восстановленном состоянии, значение потенциала увеличивается, и наоборот. Однако при аох <10 ~б М и акю <10 ~6 М происходит провал потенциала. Это происходит из-за того, что при количестве веществ менее 10 "б М наблюдается не выполнение уравнения Нернста.

Необходимо знать время измерения потенциала, для этого были проанализированы динамические свойства датчика ЕЙ. Постоянная времени датчика Ек равна

2,3КТ С,

я <0

Ас

Ж

(18)

где К - универсальная газовая постоянная; Т — абсолютная температура; Е - постоянная Фарадея; С ^ - емкость двойного электрического слоя ( = 40

мкФ см ~2); ¿о — плотность тока обмена; Ае — изменение потенциала; Ае{ — отклонение от равновесного потенциала с приемлемой точностью. Установлено, что при шаге 3 мм постоянная времени составляет

5810"3-40-10-* 5,1 244,76-10

0,6-10"

0,6-10"

- = 408с ~ Тмин

Разработан канал измерения температуры. В качестве датчика температуры обосновано использование терморезистивного преобразователя.

Описан также блок предварительной обработки информации и проведён анализ его основных характеристик.

В этом же разделе работы содержится анализ погрешностей разработанной измерительной системы.

В пятой главе содержится разработка погружаемого модуля (зонда) донной ИИС определения способности водоёма к самоочищению.

Особого внимания заслуживает идея конструктивного исполнения зонда донной ИИС (рисунок 8), развитие которой можно рассматривать как перспективное направление.

Рисунок 8 - Конструкция погружаемой части (зонда) ИИС определения способ-

Конструкция представляет собой герметичный цилиндрический контейнер /, в котором размещены электрические узлы погружаемой части. В донной части контейнера имеются отверстия для установки комбинированного электрода 4 и термометра сопротивления 5. В нижней части контейнера имеется выступ для крепления шайбы - утяжелителя, к которой крепится горообразный резиновый резервуар 3, заполняемый водой. В верхней части контейнера имеется отверстие для герморазъема кабеля связи, там же крепятся датчики крена. Конструкция зонда позволяет многократно осуществлять пошаговое измерение с помощью штока 6 с шайбой 7 и электромагнитных клапанов 5. Корпус конструкции обеспечивает высокую прочность и герметичность.

Предложено использование конкретных элементов измерительной техники, позволяющих реализовать измерительную процедуру.

Разработан и описан алгоритм вычислительной процедуры донной ИИС определения способности водоема к самоочищению (рисунок 9).

Также в разделе представлены результаты экспериментальных исследований и внедрения.

Экспериментальные исследования проводились как непосредственно в водоёме, гак я в лабораторных условиях. Для измерения распределения окислительно-восстановительного потенциала в слое донного осадка непосредственно в водоёме был разработан и сконструирован специальный наращиваемый шест длиной до 4 м.

ности водоема к самоочищению

Рисунок 9 - Схема алгоритма вычислительной процедуры ИИС определения СВС

Для установления влияния температуры на потенциал в лабораторных условиях использовался сосуд, специально изготовленный для этой цели

Приведены технические характеристики донной ИИС определения СВС

В настоящее время макет донной части ИИС, позволяющей проводить измерения окислительно-восстановительного потенциала и температуры непосредственно в водоеме, проходит испытания на ФГУ «Средволжрыбвод» Там же внедрена и используется методика определения СВС, разработанная на основании результатов, приведенных в третьей главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе поставлена и решена задача разработки донной информационно-измерительной системы определения способности водоема к самоочищению, позволяющей оперативно проводить прогнозное оценивание состояния водных экосистем

Основные научные и практические результаты диссертационной работы заключаются в следующем

1 Доказано, что предложенная концепция перспективного прогнозирования состояния водоема на основании его способности к естественному самоочищению, является новой и позволяет выявить тенденцию изменения экологического состояния водной среды под действием уже накопившегося уровня загрязнения в требуемый момент времени

2 Установлено, что метод £й-метрии, в основе которого лежит оценка распределения окислительно-восстановительного потенциала в верхнем слое донного осадка, является единственным методом, позволяющим оперативно определять способность водоема к самоочищению посредством прямого измерения информативного параметра

3 Полученные теоретические и экспериментальные результаты доказывают, что интегральным параметром, отображающим динамику протекания естественного самоочищения в водоеме, является окислительно-восстановительный потенциал, распределение положительных значений которого обуславливает толщину защитного слоя донного осадка

4 Установлено, что способность водоема к самоочищению в полной мере характеризуется не только распределением окислительно-восстановительного потенциала в верхнем слое донного осадка и толщиной защитного слоя, но и температурным режимом в водоеме

5 Установлено, что разработанная методика определения способности водоема к самоочищению, позволяет классифицировать водные объекты на основании их способности к самоочищению, выявлять водоёмы с кризисной экосистемой и водоёмы с погибший экосистемой, а также определять период самоочищения для способных к естественному самоочищению водоемов

6 Показано, что в предложенной структуре донной ИИС, позволяющей оперативно непосредственно в водоеме прогнозировать состояние его экоси-

стемы на основании способности её к естественному самоочищению, существует возможность её функционального расширения

7. Установлено, что идея конструктивного исполнения погружаемого модуля (зонда) ИИС, позволяющая реализовать оценку способности к самоочищению непосредственно в водоёме, является перспективной в направлении развития измерительной техники

Основное содержание диссертационной работы изложено в следующих работах:

1 Толокнова А.Н Гидрологическая информационно-измерительная система для определения самоочищающейся способности водоемов // Вестник Самар гос техн ун-та Сер Технические науки Вып 39 2005 С 177180

2 Толокнова АН Разработка концепции определения самоочищающейся способности водных экосистем и ее аппаратурная реализация // Электронный журнал "Исследовано в России", 107, стр 1012-1016, 2006 г http //zhurnal.ape relarn ru/articles/2006/107 pdf

3 Толокнова A H Портативная информационно-измерительная система перспективною мониторинга природных вод // Вестник Самар отд По-волж центра Метрол акад России Сер Информационно-измерительные и управляющие системы Вып 2 2006 С 74-80

4 Tatarenko Б , Toloknova A Increasing of parameters of measuring systems used at seawater hydrophysical researches Proceedings of the Seventh International Conference on Marine Science and Technology - Black Sea'2004 Bulgaria, Varna, 2004 - pp 60-63

5 Толокнова A H Роль электрохимических методов в определении самоочищающейся способности водных экосистем / Самарский гос техн ун-т - Самара, 2006 - 6с Деп в ВИНИТИ 24 07 2006 №990 - В 2006

6 Куликовский К.Л , Толокнова А Н Портативная информационно-измерительная система определения способности водных экосистем к самоочищению // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика тезисы XXII Международнойнауч -тех конф г Москва,2005 -Т2-С.250-251

7 Толокнова А Н Зондирующая информационно-измерительная система для определения самоочищающейся способности водоемов // Информационно-измерительные и управляющие системы - 2005 тезисы Международной конф г Самара, 2005 --С 218-220

8 Толокнова А.Н Информационно-измерительная система для определения способности водоемов к самоочищению// Биомедсистемы — 2004 тезисы Всероссийской науч -тех конф Рязань, 2004. - С 109-111

9 Куликовский К Л., Толокнова А Н Построение прогнозной модели способности водных экосистем к самоочищению // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика тезисы XXIII Международной науч ~ тех конф. г Москва,2006 - Т2-С 263-265

Автореферат отпечатан с разрешения диссертационного совета Д 212 217 03 ГОУВПО «Самарский государственный технический университет» Протокол № 12 от 5 октября 2007 г

Заказ № 685 Формат 60x84 1/16 Бумага тип № 1 Печать офсетная Уч -год л 1,0 Тираж 100 экз

Самарский государственный технический университет Отдел типографии и оперативной печати 443100 г Самара, Молодогвардейская уд 244, Главный корпус

ВВЕДЕНИЕ

1 ИССЛЕДОВАНИЕ СПОСОБНОСТИ ВОДОЁМА К САМООЧИЩЕНИЮ

1.1 Анализ негативного влияния антропогенных факторов на способность водоёма к самоочищению

1.2 Анализ методов экологического мониторинга водных объектов, расположенных на территории РФ

1.3 Способность экосистемы водоёма к самоочищению (СВС)

1.4 Формирование эксплуатационных требований к измерительной системе и методу измерения 33 ВЫВОДЫ

2 АНАЛИЗ МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СПОСОБНОСТИ ЭКОСИСТЕМЫ ВОДНОГО ОБЪЕКТА К САМООЧИЩЕНИЮ

2.1 Методы определения способности водоёма к самоочищению

2.2 Метод Ек-штрш

2.3 Методические погрешности определения способности водоёма к самоочищению методом Е/г-метрии

ВЫВОДЫ

3 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СПОСОБНОСТИ ЭКОСИСТЕМЫ ВОДНОГО ОБЪЕКТА К САМООЧИЩЕНИЮ

3.1 Разработка и анализ модели СВС

3.2 Проверка адекватности разработанной модели СВС

3.3 Определение периода самоочищения водной экосистемы 79 ВЫВОДЫ

4 ДОННАЯ ИИС ОПРЕДЕЛЕНИЯ СПОСОБНОСТИ ВОДОЁМА К САМООЧИЩЕНИЮ

4.1 Структура донной ИИС

4.2 Канал измерения ЕИ

4.2.1 Датчик ЕН

4.2.2 Метрологические характеристики датчика ЕН

4.3 Канал измерения температуры

4.4 Блок первичной обработки информации (БПОИ)

4.5 Бортовой модуль

4.6 Результатирующая погрешность донной ИИС определения способности водоёма к самоочищению 125 ВЫВОДЫ

5 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗРАБОТАННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ДОННОЙ ИИС ОПРЕДЕЛЕНИЯ СПОСОБНОСТИ ЭКОСИСТЕМЫ ВОДНОГО ОБЪЕКТА К САМООЧИЩЕНИЮ. РЕЗУЛЬТАТЫ ВНЕДРЕНИЯ.

5.1 Погружаемый модуль донной ИИС определения способности экосистемы водоёма к самоочищению

5.2 Алгоритм вычислительной процедуры донной ИИС определения СВС

5.3 Внедрение разработанной методики определения способности водоёма к самоочищению. Результаты эксперимента 141 ВЫВОДЫ

Актуальность темы.

С середины ХХ-го столетия человечество впервые стало осознавать серьезность возникших экологических проблем и хрупкость самого существования жизни на планете. Хозяйственная деятельность человека ведет к загрязнению окружающей среды вредными для всего живого веществами. Особо остро стоит проблема загрязнения природных вод поверхностных водоемов.

Постоянное, интенсивное антропогенное воздействие привело к резкому ухудшению экологического состояния водоемов. В России, крупнейшей по территории стране и обладающей одним из самых высоких водных потенциалов в мире, около 70% водных объектов суши не соответствуют ГОСТу Р 51232-98 «Вода питьевая» [4] и, соответственно, утратили свои качества как источника питьевого водоснабжения ввиду их загрязнения.

Основными источниками загрязнений являются различные промышленные предприятия.

На сегодняшний день скорость увеличения вредного воздействия на акватории и интенсивность его влияния уже выходит за пределы биологической приспособляемости водной экосистемы к изменениям среды обитания и создает прямую угрозу гибели водоёма в целом.

В сложившейся ситуации наибольшее внимание к себе привлекли так называемые «техногенные» водоёмы, находящиеся в промышленной зоне предприятий и на близлежащих территориях, которые прямо (утилизация отходов, сброс сточных вод) или косвенно (аварии, утечки, прорывы трубопроводов) подвергаются вредному загрязняющему воздействию. В России имеется большое количество таких водных объектов, что сформировало необходимость контролировать, отслеживать и своевременно ликвидировать источники загрязнения и их последствия с дальнейшим наложением санкций на виновных. Особое внимание к себе привлекают такие водные объекты, как малые водохранилища, пруды и озера.

Необходима оценка экологического состояния «техногенных» водоёмов, ответственность за которые полностью лежит на предприятиях их загрязняющие. Данная оценка необходима для принятия определенных мер в отношении указанных водоёмов. Следуя мировой практике, «техногенные» водоёмы могут быть подвержены рекультиваций (уничтожению, захоронению), полной или частичной очистке, а также могут быть уменьшены объёмы сбросов или вовсе прекращены. При выборе любого из предложенных способов необходимо оценивать и экономические последствия, и материальные затраты на их реализацию. Например, мероприятия по восстановлению водоёма являются дорогостоящими и длительными. Поэтому необходим поиск компромиссного решения, принятие которого должно основываться, прежде всего, на сведениях об экологическом состоянии самого водоёма и тенденции его изменения, что позволит решить проблему с наименьшим ущербом для природы и с наименьшими затратами средств и времени.

Также сведения об экологических перспективах водоёма необходимы для формирования в его отношении ценовой политики, которая будет зависеть не только от ставок, установленных федеральными и муниципальными уровнями власти, но и от возможности дальнейшего использования водного объекта в различных целях, что вызвано возможностью передачи водоёма в руки юридического или частного лица на основе товарно-рыночных отношений в связи с принятием 1 января 2007 года нового Водного кодекса РФ.

Решение этой проблемы неразрывно связано с необходимостью перспективного прогнозирования. Возникла необходимость преобразования современной системы контроля качества вод в экологический мониторинг, позволяющий оценивать и выявлять тенденции в изменении состояния водоёма. Существующие на сегодня методы оценивания экологического состояния водоёма (определение ПДК, биомониторинг) дают представление лишь о его физико-химическом и биологическом состоянии на данный момент.

Известно, что любая водная экосистема способна до некоторого предела противостоять антропогенной нагрузке, используя свою способность самоочищаться. Оценивание способности водоёма к естественному самоочищению делает прогнозирование возможным, т.к. данная способность характеризует динамику всех протекающих в водоёме процессов.

При определении способности водоёма к самоочищению необходимо оценивать способность к самоочищению его донного осадка. Донный осадок, являясь последним звеном в сложной цепи естественной очистки, служит последним рубежом защиты водоёма от негативного воздействия всех поступающих в него загрязнителей. 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 водоёма в целом.

Однако до настоящего времени не существует методов построения и структур систем, позволяющих определять способность водоёма к самоочищению.

В связи с этим разработка информационно-измерительной системы, которая позволяет без взятия пробы проводить анализ состояния донного осадка с целью определения способности водоёма к самоочищению (СВС), является актуальной задачей, решение которой даст нам первый опыт в понимании и оценивании перспектив того или иного водоёма.

1.2 Цель работы

Целью диссертационной работы является разработка и исследование методов оценки способности водоёма к самоочищению и создание донной информационно-измерительной системы (ИИС) определения способности водоёма к самоочищению, позволяющей оперативно проводить прогнозное оценивание состояния водных экосистем.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. проведён анализ способности водоёма к самоочищению, негативного влияния на неё загрязнений, антропогенного происхождения, и методов экологического мониторинга водных объектов, расположенных на территории РФ, с целью выявления чувствительного критерия оценки, позволяющего реализовать перспективное прогнозирование состояния «техногенных» водоемов и выработки требований к методу измерения, структуре и конструкции разрабатываемой ИИС;

2. на основании требований и критериев проведёно исследование методов определения способности экосистемы водного объекта к самоочищению с целью выбора метода, позволяющего реализовать оперативную оценку способности к самоочищению непосредственно в водоёме;

3. проведён анализ методической погрешности метода £А-метрии;

4. разработана модель способности водной экосистемы к самоочищению и на её основе разработана методика определения способности водоема к самоочищению;

5. синтезирована структура донной ИИС определения способности водоёма к самоочищению, разработаны и исследованы её измерительные каналы, исследованы методические и аппаратурные погрешности измерительной системы;

6. разработана оригинальная конструкция погружаемого модуля (зонда) донной измерительной системы с применением современных комплектующих вычислительной и измерительной техники.

1.3 Методы исследований

При решении поставленных задач использовались методы теории функционирования водных экосистем, гидробиологического и гидрохимического мониторинга, электроаналитической химии, теории электрических цепей, теории погрешностей результатов измерений, теория автоматического управления. Для подтверждения результатов теоретического анализа использовались методы экспериментального исследования и моделирования.

1.4 Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1. Предложена концепция прогнозирования состояния водоёма на основании его способности к естественному самоочищению, которая в отличие от существующих позволяет выявить тенденцию изменения экологического состояния водной среды под действием уже накопившегося уровня загрязнения, используя экстраполя ционный подход.

2. Предложена классификация водных объектов на основании их способности к самоочищению, выявлены критерии кризисного и погибшего водоёма, введено понятие периода самоочищения и на его основании приведена градация водных объектов, что дает возможность построения более точного и обоснованного прогноза.

3. На основании теоретических и большого объёма экспериментальных натурных исследований разработана модель способности водоёма к самоочищению, позволяющая учитывать основные влияющие на данную способность факторы и дающая возможность оценки протекания процесса естественного очищения.

4. Проведён анализ методических погрешностей метода ЕИ-метрии, который позволил предложить некоторые пути их уменьшения, что ранее не проводилось.

5. На основании предложенной модели способности водоёма к самоочищению разработана методика, позволяющая не только оценивать способности водоёма к естественному самоочищению, но и определять период времени, необходимого для самоочищения.

6. Предложено конструктивное исполнение погружаемого модуля (зонда) донной информационно-измерительной системы определения способности водоёма к самоочищению, позволяющее реализовать пошаговое заглубление измерительных элементов в слой донного осадка непосредственно в водоёме.

7. Предложена структура донной ИИС, позволяющей оперативно непосредственно в водоёме прогнозировать состояние водной экосистемы путём определения её способности к естественному самоочищению, проанализированы её аппаратурные погрешности.

1.5 Практическая ценность работы

1. Проведённые теоретические и экспериментальные исследования позволили создать базу для проектирования и разработки донной ИИС, предназначенной для перспективного прогнозирования состояния водоёма на основании его способности к естественному самоочищению, которая будет наиболее полезна предприятиям различной промышленности, использующим расположенные на их или на прилежащих территориях водные объекты с целью утилизации отходов. Также система успешно может применяться на очистных сооружениях и в сельскохозяйственной отрасли.

2. Разработанная методика, позволяющая классифицировать водные объекты на основании их способности к самоочищению, выявлять водоёмы с кризисной экосистемой и водоёмы с погибший экосистемой, определять период самоочищения для способных к естественному самоочищению водоёмов, может быть включена в программу экологического мониторинга природных поверхностных вод и применяться различным экологическим службам и природоохранным организациям.

1.6 Основные научные положения, выносимые на защиту

1. Экстраполяционная концепция перспективного прогнозирования экологического состояния водоёма на основе оценки его способности к естественному самоочищению дает новый виток в направлении развития класса прогнозных ИИС.

2. Модель способности водоёма к самоочищению, полученная на основании теоретических и экспериментальных натурных исследований, учитывает основные факторы, влияющие на естественное самоочищение водоёма.

3. Методика определения способности водоёма к самоочищению позволяет классифицировать водные объекты на основании их способности к самоочищению, выявлять водоёмы с кризисной экосистемой и водоёмы с погибший экосистемой, определять период самоочищения для способных к естественному самоочищению водоёмов, состоятельность которой подтверждена результатами экспериментальных данных.

4. Оригинальная идея конструктивного исполнения погружаемого модуля (зонда) ИИС, которая позволяет реализовать оценку способности к самоочищению непосредственно в водоёме.

1.7 Реализация результатов работы

Методика определения способности водоёма к самоочищению и макет информационно-измерительной системы опробованы и используются на ФГУ «Средневолжрыбвод».

1.8 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.);

- международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, 2006г. и 2007г.);

- научно-технических семинарах кафедры «Информационно-измерительная техника» Самарского государственного технического университета.

1.9 Публикации. Основное содержание диссертационной работы изложено в 9 печатных работах: 5 статей и 4 научных доклада, в том числе из перечня, рекомендованного ВАК России -1.

1.10 Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 разделов, заключения, приложения, перечня используемой литературы. Работа содержит 161 с. машинописного текста, 19 таблицы, 26 иллюстраций, 1с. приложения и 7 с. библиографического списка из 84 наименований.

ВЫВОДЫ.

1. Разработанная конструкция погружаемого модуля донной ИИС определения СВС позволяет реализовать пошаговое внедрение датчиков окислительно-восстановительного потенциала и температуры в верхний слой донного осадка непосредственно в водоёме и является оригинальным решением поставленной задачи.

2. При использовании в качестве датчика ЕН комбинированного электрода с погрешностью измерения окислительно-восстановительного потенциала 4 мВ глубина шага внедрения его в слое донного осадка составляет 3 мм.

3. Установлено, что максимальный угол отклонения заглубления датчика ЕЬ от вертикали составляет 5°, соответственно, установка зонда на дне водоёма возможна на поверхностях, наклон которых относительно горизонтали составляет 5° и менее, что позволит избежать соскальзывания зонда с наклонных поверхностей в месте его установки. Диаметр основания, в который перпендикулярно закреплёны датчики окислительно-восстановительного потенциала и температуры равен 45 см.

4. Экспериментальные исследования, проводимые в процессе внедрения методики определения СВС, подтверждают основные результаты теоретических исследований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе поставлена и решена задача разработки донной информационно-измерительной системы определения способности водоёма к самоочищению, позволяющей оперативно проводить прогнозное оценивание состояния водных экосистем.

В диссертационной работе получены следующие основные научные и практические результаты:

1. Доказано, что предложенная концепция перспективного прогнозирования состояния водоёма на основании его способности к естественному самоочищению, является новой и позволяет выявить тенденцию изменения экологического состояния водной среды под действием уже накопившегося уровня загрязнения в требуемый момент времени.

2. Установлено, что метод £/г-метрии, в основе которого лежит оценка распределения окислительно-восстановительного потенциала в верхнем слое донного осадка, является единственным методом, позволяющим оперативно определять способность водоёма к самоочищению посредством прямого измерения информативного параметра.

3. Полученные теоретические и экспериментальные результаты доказывают, что интегральным параметром, отображающим динамику протекания естественного самоочищения в водоёме, является окислительно-восстановительный потенциал, распределение положительных значений которого обуславливает толщину защитного слоя донного осадка.

4. Установлено, что способность водоёма к самоочищению в полной мере характеризуется не только распределением окислительно-восстановительного потенциала в верхнем слое донного осадка и толщиной защитного слоя, но и температурным режимом в водоёме.

5. Установлено, что разработанная методика определения способности водоёма к самоочищению, позволяет классифицировать водные объекты на основании их способности к самоочищению, выявлять водоёмы с кризисной экосистемой и водоёмы с погибший экосистемой, а также определять период самоочищения для способных к естественному самоочищению водоёмов.

6. Показано, что в предложенной структуре донной ИИС, позволяющей оперативно непосредственно в водоёме прогнозировать состояние его экосистемы на основании способности её к естественному самоочищению, существует возможность её функционального расширения.

7. Установлено, что идея конструктивного исполнения погружаемого модуля (зонда) ИИС, позволяющая реализовать оценку способности к самоочищению непосредственно в водоёме, является перспективной в направлении развития измерительной техники.

1. Павловский A.B. Системы экологического мониторинга водных ресурсов. -Самара: Парус, 2000.

2. Первичные измерительные преобразователи океанографических параметров./ Под ред. В.И. Ильичева. Владивосток: Изд-во Дальневост. ун-та, 1990, 296с.

3. A.c. 1818583 СССР, МКИ3 в 23 Р 33/18. Способы определения способности водоёмов к самоочищению/ В.Г. Токарев, И.И. Трибрат (СССР).

4. Лозановская И.Н., Орлов Д.С., Садовникова JI.K. Экология и охрана биосферы при химическом загрязнении: Учебное пособие для хим., хим.-тех. и биол. Спец. Вузов-М.: Высшая школа 1998.

5. Ащепкова Л.Я. Прогнозирующие экологических процессов. Новосибирск: Наука, 1986.-26с.

6. Алимов А.Ф. Основные положения теории функционирования водных экосистем //Гидробиологический журнал. -1990. -Т.26, №6. -С.3-12.

7. A.c. 1789920 СССР, МКИ3 в 22 Р 19/03. Способ оценки качества вод и санитарного состояния водоёмов/ C.B. Кренева (СССР).

8. A.c. 1789921 СССР, МКИ3 в 30 Р 19/04. Способы определения загрязнённость донных отложений/ С.С. Гусева (СССР).

9. Криволуцкий Д.А., Шаланки Я., Гусев A.A. Международное сотрудничество в области биоиндикации антропогенных изменений среды // Биоиндикации и биомониторинг. М., Наука. 1991. С. 5-9.

10. Соколов В JE., Шаланки Я., Криволуцкий Д.А. и др. Международная программа по биоиндикации антропогенного загрязнения природной среды // Экология. 1990. № 2. С. 30-34

11. Тищиков Г.М. Использование вертикальной стратификации зообентоса для биологической оценки среды обитания // Итоги гидробиологических исследований водных экосистем Белоруссии. Минск, 1988. С. 180-186.

12. Давыдов C.JL. Тагасов В.И. Тяжелые металлы как супертоксиканты XXI века: Учеб. Пособие. М: Изд-во РУНД, 2002, 140с.

13. Справочник гидрохимика: рыбное хозяйство / под ред. Агатова А.М. М.: Агропромиздат, 1991.

14. Биологические процессы в загрязненных модельных водоемах./Под ред. О.Ф. Филенко. М: изд-во МГУ, 1984, 192с.

15. Дривер Дж. Гиохимия природных вод. М: Мир, 1985, 128с.

16. Тарасова Н.П., Кузнецов В.В. Кислотно-основные равновесия и окислительно-восстановительные процессы в природных водоемах. М., 1988, 53с.

17. Даувальтер В.А. Оценка токсичности металлов накопленных в донных отложениях озер// Водные ресурсы, 2000, т.27, №4, с.469-476.

18. Долгов Г.И. Биологические исследования водоемов // Гидробиологические основы самоочищения вод. Л.: ЗИН, 1976, с. 112-113.

19. Хрисанов Н.И., Осилов Г.П. Управление эвтрофированием водоемов-СПб.: Гидрометеоиздат, 1993.

20. Васильев В.П. Аналитическая химия в 2-х кн. Кн. 2 Физико-химические методы анализа: Учеб. Пособие для студ. вузов, обучающихся по химико-технол. спец. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Дрофа, 2002

21. Дмитриев В.В. Диагностика и моделирование водных экосистем. СПб.: Изд-во СПбГУ, 1995,215с.

22. Эйлер В. Яды в нашей пищи. М.: Мир, 1993, 189с.

23. Рубцова С.И., Егоров В.Н. Влияние абиотических факторов на численность нефтеокисляющих бактерий в прибрежных районах Черного моря// Экология моря, 2004, вып. 66. Севастополь.

24. Токарев В.Г., Трибрат И.Н. Прогнозирование экологических процессов-Новосибирск: Наука, 1986.

25. Тует Д.Г. Модель, предназначенная дли прогнозирования влияния противогололедных солей на окружающую среду. "Борьба со снегом и гололедом". М., Транспорт, 1986.

26. Дмитриев В.В. Многокритериальная оценка состояния и устойчивости геосистем на основе метода сводных показателей. II. Трофический статус водных экосистем. //Вестник С-Петербургского университета, 1997, серия 7, вып. 1, №23,с.51-67.

27. Абакумов В.А. Гидробиологический анализ поверхностных вод и донных отложений// Руководство по методам гидробиологического анализа поверхностных вод и донных отложений. Л.: Гидорметеоиздат, 1983, с.7-21.

28. Айзатулин Т.А., Лебедев B.JL, Хайлов K.M. под ред. Беляева В.И. Океан. Активные поверхности и жизнь. Д.: Гидорметеоиздат, 1979.

29. Абакумов В.А. Руководство по гидробиологическому мониторингу пресноводных экосистем. СПб.: ГМИ, 1992, 318с.

30. Перельман А.И. Геохимия. М.: Высшая школа, 1989, 528 с.

31. Гаррелс Р.М, Крайтс 4.JI. Растворы, минералы, равновесия. http://twt.mpei.ac.ru.

32. Афиногенов Л.П., Грушин С.И., Романов Е.В. Аппаратура для исследования приземного слоя атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1977. 319с.

33. Гордов А.Н., Малков Я.В., Эрдгарт H.H., Ярышев H.A. Точность контактных методов измерения температуры. М.: Изд-во стандартов, 1976. 232с.

34. Мигли Д., Торренс К. Потенциометрический анализ воды. М.: Мир, 1980.

35. Елисеев Д. Аппаратно-программные средства карманных компьютеров. СПб.: БХВ-Петербург, 2003.

36. Осипова Е.А. Электроаналитические методы и проблема окружающей среды // Соровский образовательный журнал, том 7, №2, 2001.

37. Виглеб Г. Датчики. М.: Мир, 1989.

38. Цапенко М.П. Измерительные информационные системы. Учеб. Пособие для вузов. М.: Энергия, 1974.

39. Бромберг Э.М., Куликовский K.J1. Тестовые методы повышения точности измерений. -М.: Энергия, 1978.

40. Куликовский K.JL, Купер В.Я. Методы и средства измерения. М.: Энерго-атомиздат, 1986.

41. Бертокс П., Радд Д. Стратегия защиты окружающей среды от загрязнений. М.: Мир, 1980.

42. Математические модели контроля загрязнения воды / Под редакцией А. Джеймса.-М.: Мир, 1981.

43. Попов Н.С., Бодров В.И., Перов В.П. // Химическая промышленность за рубежом. 1984. № 1.С.28

44. Родзиллер И.Д. Прогноз качества воды водоемов приемников сточных вод. -М.: Стройиздат, 1984.

45. Bedford K.W., Sykes R.M., Libiski С. // J. of Env. Eng. 1983. V. 109. No 3. P. 535.

46. Попов H.C. Немтинов В.А. Мокрозуб В.Г. Методика автоматизированного моделирования процессов самоочищения реки с малым расходом воды в условиях неопределенности // Химическая промышленность, 1992. № 9. С 545.

47. Jorgensen S.E. // Modeling Identification and Control in Environmental Systems; North-Holland Publ. Comp. 1978. P. 473.

48. Зубайдуллин A.A. Самовосстановление нарушенных фитоценозов на нефте-загрязненных участках суходолов и верховых болот, http:// www.ecoportal.ru

49. Каверин А. Несколько советов начинающемуся потенциометристу (Редокс-метрия). Часть 2. (январь, 2000). Вестник Lab.ru август 2003 http:// www.geocities.com

50. Дж. Фрайден Современные датчики. Справочник. М.: Техносфера, 2005. 592с.

51. Кривоносов А.И. Термодиоды и термотриоды. -М.: Энергия, 1970. 73с.

52. Карцев Е.А., Коротков В.П. Унифицированные струнные измерительные преобразователи.-М.: Машиностроение, 1982. 144с.

53. Лавров С.А., Нечесин Е.Г., Никитин A.B., Рабинович М.Е. Динамические характеристики первичных преобразователей температуры // Физические основы построения первичных преобразователей: тез. докл. респ. научн.-тех. конф. Киев, 1977. №2. с 95 96.

54. Новицкий П.В., Зограф И.А. Оценка погрешностей результатов измерений. -Л.: Энергоиздат: Ленинградское отделение, 1985г. 248 с.

55. Харитонов Ю.Я. Аналитическая химия. Том 1. М.: Высшая школа, 2005. 615с.

56. ГОСТ 23945 80 Унификация изделий. Основные положения. - М.: Изд-во стандартом, 1980.

57. Гигиенические нормативы. ГН 2.1.5.690-98. М.: Российский регистр потенциально опасных химических и биологических веществ Минздрава России, 1998.

58. Голубцов М.С., Кириченкова A.B. Микроконтроллеры AVR: от простого к сложному. Изд. 2-е, испр. и доп. - М.: Солон-пресс, 2005.

59. Бесекерский В.А., Попов Е.В. Теория систем автоматического управления. -Изд. 4-е, перераб. и доп. СПб.: Профессия, 2004.

60. Анхимюк В.Л., Опейко О.Ф., Михеев H.H. Теория автоматического управления. Мн.: Дизайн ПРО, 2002.

61. Назаров Н.Г. Метрология. Основные понятия и математические модели. -М.: Высшая школа, 2002.

62. Справочник: Обзор состояния загрязнения поверхностных вод на территории деятельности Приволжского УГМС в 2005 году. Самара, 2006.

63. Камшилов М.М. Экологические аспекты загрязнения водных объектов принципиальные пути борьбы с ними. // Гидробиологический журнал. 1979, т.15, №31, с.З -10.

64. Математическое моделирование водных экосистем / под ред. Никанорова A.M. Л. Гидрометеоиздат, 1981.

65. Алимов А.Ф., Финогенова Н.П. Количественная оценка роли сообществ донных животных в процессах самоочищения пресноводных водоемов // Гидробиологические основы самоочищения вод. JI.: ЗИН, 1976, с.5-14.

66. Геохимия природных вод / под ред. Смирнова. М.: Мир, 1985.

67. Карюхина Т.А., Чурбанов И.Н. Химия воды и микробиология. М.: Строй-издат, 1983.

68. Справочник гидрохимика: рыбное хозяйство / под ред. Агатова A.M. М.: Агропромиздат, 1991.

69. Захаров М.С., Захарчук Н.Ф. Электрохимические методы анализа природных и сточных вод. Новосибирск: Наука, 1985.

70. ГОСТ Р 51232 98. Вода питьевая. -М.: Изд-во стандартов, 1998.

71. ГОСТ 27593 88. Почвы. Термины и определения. - М.: Изд-во стандартов, 1988.

72. Куликовский K.JL, Толокнова А.Н. Построение прогнозной модели способности водных экосистем к самоочищению // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: тезисы ХХШ Международной науч. тех. конф. г. Москва, 2006. - Т.2 - С. 263-265.

73. Толокнова А.Н. Гидрологическая информационно-измерительная система для определения самоочищающейся способности водоемов // Вестник Са-мар. гос. техн. ун-та. Сер. Технические науки. Вып. 39. 2005. С. 177-180.

74. Толокнова А.Н. Разработка концепции определения самоочищающейся способности водных экосистем и ее аппаратурная реализация // Электронныйжурнал "Исследовано в России", 107, стр. 1012-1016, 2006 г. http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2006/107.pdf

75. Tatarenko Е., Toloknova A. Increasing of parameters of measuring systems used at seawater hydrophysical researches. Proceedings of the Seventh International Conference on Marine Science and Technology Black Sea'2004. Bulgaria, Varna, 2004.- pp. 60-63.

76. Толокнова А.Н. Портативная информационно-измерительная система определения способности водных экосистем к самоочищению // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: тезисы XXII Международной науч. -тех. конф. г. Москва, 2005. Т.2 - С. 250-251.

77. Толокнова А.Н. Зондирующая информационно-измерительная система для определения самоочищающейся способности водоемов // Информационно-измерительные и управляющие системы 2005: тезисы Международной конф. г. Самара, 2005. - С. 218-220.

78. Толокнова А.Н. Роль электрохимических методов в определении самоочищающейся способности водных экосистем / Самарский гос. техн. ун-т. -Самара, 2006. 6с.: Деп. в ВИНИТИ 24.07.2006 №990 - В 2006.

79. Толокнова А.Н. Информационно-измерительная система для определения способности водоемов к самоочищению// Биомедсистемы 2004: тезисы Всероссийской науч. - тех. конф. Рязань, 2004. - С.109-111.

80. Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах. -Л.: Энергоиздат, 1988.

81. Шульц М.М., Писаревский A.M., Полозова И.П. Окислительный потенциал-Л.: Химия, 1988.

82. Воробьёв В.В. Анализ практического использования телеуправляемых необитаемых подводных аппаратов// Научно-технический журнал «подводные технологии и мир океана». Вып. 1, 2005

83. Розман Б.Я Семейство малогабаритных телеуправляемых подводных аппаратов «Гном» // Научно-технический журнал «подводные технологии и мир океана». Вып. 3, 2005.

84. Гайкович Б.А. Телеупралляемые подводные аппараты осмотровых классов// Научно-технический журнал «подводные технологии и мир океана». Вып. 3, 2005.

85. Новоселов О.Н., Фомин А.Ф. Основы теории и расчета информационно-измерительных систем. М.: Машиностроение, 1991. - 336с.

86. Гизис Э.И., Пискунов Е.А. Аналого-цифровые преобразователи: учебное пособие для вузов. М.: Энергоиздат, 1985.

87. Ильин В.А. Телеуправление и телеизмерения: учебное пособие для вузов. -М.: Энергоиздат, 1982.