авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Донная информационно-измерительная система определения способности водоемов к самоочищению

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Толокнова Анна Николаевна

ДОННАЯ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ОПРЕДЕЛЕНИЯ СПОСОБНОСТИ ВОДОЕМОВ К САМООЧИЩЕНИЮ

Специальность 05.11.16 – Информационно-измерительные и

управляющие системы (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Самара 2006

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 Заслуженный деятель науки РФ,

доктор технических наук профессор

Семенов Владимир Семенович

Директор ООО «Научно-производственный центр ПАЛС», кандидат технических наук

Рубцов Михаил Геннадьевич

Ведущая организация: Отдел водных ресурсов по Самарской области Нижне-Волжского бассейнового водного управления (г. Самара)

Защита диссертации состоится «28» декабря 2006 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.217.03 ГОУВПО Самарского государственного технического университета (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: Россия, 443100 г. Самара, ул. Молодогвардейская 244, СамГТУ, главный корпус, ученому секретарю диссертационного совета

Д 212.217.03; факс: (846) 278-44-00, e-mail: d21221703@list.ru

Автореферат разослан «24» ноября 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.217.03, кандидат технических наук Н.Г.Губанов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕТИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

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:

  1. Проведен анализ антропогенных факторов воздействия и их негативного влияния на экологическое состояние водных объектов.
  2. Проведен анализ методов, используемых в современном экологическом мониторинге.
  3. Проведен анализ методов определения способности экосистемы водного объекта к самоочищению.
  4. Разработана математическая модель способности экосистемы водоема к самоочищению.
  5. Разработана методика определения способности экосистемы водоема к самоочищению.
  6. Разработаны структурная схема и измерительные каналы донной информационно-измерительной системы определения способности водоёма к самоочищению.
  7. 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:

  1. В диссертации поставлена и решена задача построения информационно-измерительной системы определения способности водной экосистемы к самоочищению в оперативном режиме непосредственно в водоёме.
  2. Предложена новая концепция перспективного прогнозирования способности водоема к самоочищению.
  3. Разработана математическая модель способности водной экосистемы к самоочищению, учитывающая основные влияющие на данную способность факторы и методика определения указанной способности.
  4. Предложена классификация водных объектов на основании их способности к самоочищению, выявлены критерии кризисного и погибшего водоёма.
  5. Впервые введено определение периода самоочищения водной экосистемы и приведена градация водных объектов в зависимости от периода самоочищения.
  6. Разработан метод измерения окислительно-восстановительного потенциала в слое донного осадка.
  7. Разработана структура ИИС определения способности водоема к самоочищению непосредственно в водоёме и проведен анализ ее метрологических характеристик.
  8. Проанализированы методологические и аппаратурные погрешности ИИС.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

  1. 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.
  2. Предложенная новая концепция позволяет прогнозировать экологического состояния водного объекта, оценивая его способность самоочищению.
  3. 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.
  4. 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.
  5. 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:

  1. Концепция перспективного прогнозирования экологического состояния водоема по его способности самоочищению.
  2. Математическая модель способности водоема к самоочищению и методика определения данной способности.
  3. Метод измерения окислительно-восстановительного потенциала в слое донного осадка.
  4. 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.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы: цель, задачи и основные направления исследований.

В первой главе проведен анализ антропогенных факторы воздействия на водные объекты и выявлено их негативное влияние на экологическое состояние водных экосистем.





Установлено, что вследствие сложившейся экологической обстановке наиболее остро стоит проблема предсказания реальной ситуации в каждый момент времени для того или иного водного объекта с целью принятия наиболее рационального решения относительно его использования. В связи с этим назрела острая необходимость прогнозного оценивания состояния водоемов.

Проводимый анализ показал, что используемые методы современного экологического мониторинга не обеспечивают возможность перспективного прогнозирования.

Прогнозирование становиться возможным при оценивании интегрального параметра, комплексно отображающим динамику происходящих в водной экосистеме процессов.

Установлено, что таким критерием является способность водной экологической системы к самоочищению. Любой водный объект, представляющий собой экологическую систему, способен противостоять негативу антропогенной нагрузки в определенных пределах, используя свой внутренние ресурсы. Тем самым, каждый водоем способен восстанавливаться по средствам внутреннего самоочищения.

Выявлено, что самоочищение водоемов - это совокупность взаимосвязанных гидродинамических, физико-химических, микробиологических и гидробиологических процессов, ведущих к восстановлению первоначального состояния водного объекта.

Доказано, что наиболее ярко и интенсивно процесс самоочищения протекает в донном осадке. Донный осадок, являясь последним звеном в сложной цепи очистки, служит последним рубежом защиты водоема от негативного воздействия всех поступающих веществ. Способность донного осадка к самоочищению – это способность осадка к окислению, поглощению и разбавлению всех поступающих в него веществ. Если донный осадок не справляется с нагрузкой антропогенного и природного загрязнения, то загрязняющие вещества проникают в донную систему, разрушая ее. Это приводит к гибели водоема в целом. Способность водоема в целом к самоочищению определяется способностью к самоочищению донного осадка, которая обеспечивается сохранностью буферных свойств осадка и достаточным в нем количеством растворенного кислорода. Поддержание такого режима создает благоприятные условия для обитания донных организмов, воспроизводящих процессы очищения водоема.

Доказано, что контроль за способностью к самоочищению позволит прогнозировать состояние экосистемы водоема в перспективе, т.к. данная способность отображает динамику развития экологической ситуации внутри водоема в целом.

Установлено, что в настоящее время отсутствуют измерительные системы и устройства, дающие возможность прогнозировать состояние водного объекта в заданном временном интервале.

Доказана необходимость разработки информационно-измерительных систем, позволяющих оперативно определять способность экосистемы водного объекта к самоочищению непосредственно на «месте» в требуемый момент времени.

Во второй главе проведен анализ существующих методов определения способности экосистемы водного объекта к самоочищению. Рассмотрены следующие методы: тест на интенсивность процесса самоочищения, метод оценки самоочищения водной экосистемы по фильтрационной активности зоопланктона, метод определения скорости процессов самоочищения по биологическому (БПК) и химическому (ХПК) потреблению кислорода, метод Eh-метрии.

Проводимый анализ показал, что метод Eh-метрии для решения поставленной перед нами задачи является оптимальным. Данный метод основан на определении самоочищающейся способности водоема по распределению окислительно-восстановительного потенциала в верхнем слое донного осадка. Окислительно-восстановительный потенциал является интегральным параметром, комплексно отображающим способность водоема к самоочищению, т.к. Eh отображает и описывает напряженность окислительно-восстановительных условий в осадке, которые отображают протекание, активность и сбалансированность биогеохимических процессов на последней стадии переработки органических остатков и загрязнений в донных осадках.

Оценочный коэффициент способности водоема к самоочищению рассчитывается по формуле:

, (1)

где – доля способности активного слоя донных осадков к переработке загрязнения от теоретически возможной в наиболее благоприятных условиях; – средняя из величин Eh больше 0; h – толщина слоя окисленных осадков с микроаэроэфильными условиями с Eh, больше 0; – максимальная величина окислительно-восстановительного потенциала в слое донного осадка и составляет +650 мВ; H – теоретическая толщина слоя осадка с активной биотурбации и составляет 10 см.

При близкому к 0 водоем практически не справляется с нагрузкой и способность к самоочищению низкая, при =1 – способность к самоочищению высокая.

Установлено, что метод Eh-метрии позволяет реализовать измерение окислительно-восстановительного потенциала Eh непосредственно в водоеме, что позволит избежать нежелательных последствий, связанных с взятием пробы, и повысить точность получаемых характеристик.

Выявлено, что в модели (1), на основе которой предложен метод Eh-метрии, не учтены факторы, оказывающие наибольшее влияние на способность водной экосистемы к самоочищению. Необходимо уточнить модель.

Третья глава посвящена разработке математической модели способности водной экосистемы к самоочищению и ее экспериментальному обоснованию. Для коэффициента способности водной экосистемы к самоочищению уточнены оценочные диапазоны, позволяющие не только определить уровень способности к самоочищению, но и выявит кризисную ситуацию в водоеме, когда его экосистема не справляется с общей нагрузкой, а также определить уже разрушенную экосистему. Введено понятие периода самоочищения водной экосистемы. Определены периоды самоочищения для водоемов с различной самоочищающейся способностью.

Построение модели способности экосистемы водного объекта к самоочищению дает возможность определения пространственно-временного распределения показателей процесса самоочищения в зависимости от гидрологического и гидрохимического режимов водоема и интенсивности поступления в него загрязняющих веществ. Процесс самоочищения представляет собой сумму процессов, определяющих возвращение водной экосистемы в ее первоначальное состояние.

Проведенный анализ существующих на сегодня моделей показал, что в основном это модели, описывающие процессы загрязнения и самоочищения водоемов по распространению примесей в водных потоках и учитывающие процессы аэробного окисления органических соединений, дают лишь упрощенное представление о процессе самоочищения, не характеризуя его динамику и интенсивность.



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.