СТРУКТУРА СИСТЕМЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ПО ИЗМЕРЕНИЮ КОНЦЕНТРАЦИЙ ТЯЖЁЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ПРОТОЧНЫХ ВОДАХ

DEVELOPMENT OF THE STRUCTURE OF THE ENVIRONMENTAL MONITORING SYSTEM FOR MEASURING CONCENTRATIONS OF HEAVY METALS IN FLOWING WATERS

Maria Elistratova

student, Pacific National University,

Russia, Khabarovsk

Danila Kudelsky

student, Pacific National University,

Russia, Khabarovsk

Yulia Naumova

student, Pacific National University,

Russia, Khabarovsk

Denis Vegera

scientific adviser, senior lecturer,

Pacific National University,

Russia, Khabarovsk

АННОТАЦИЯ

В связи со стремительным ростом урбанизации в мире и развитием промышленности увеличивается степень загрязненности водной среды, что в перспективе приведет к критической нехватке необходимого природного ресурса – пресной воды. В данной статье предлагается структура системы экологического мониторинга водной среды на примере проточной воды в реках. Эта система может быть реализована с помощью современных средств вычислительной техники и измерительного инструментария, для которого приведены принципы действия методов измерения вредных веществ.

ABSTRACT

Due to the rapid growth of urbanization in the world and the development of industry, the degree of pollution of the aquatic environment is increasing, which in the future will lead to a critical shortage of the necessary natural resource - fresh water. This article proposes the structure of the system of ecological monitoring of the aquatic environment on the example of running water in rivers. This system can be implemented using modern computer technology and measuring instruments, for which the principles of operation of methods for measuring harmful substances are given.

Ключевые слова: экологический мониторинг, система сбора, передачи и хранения данных, проточные пресные воды, многофункциональные датчики – анализаторы воды.

Keywords: environmental monitoring, data collection, transmission and storage system, flowing fresh water, multifunctional water analyzers.

Введение

Экологический мониторинг как понятие официально возник около 50 лет назад. Он актуален и на сегодняшний день. Высокий темп роста урбанизации и индустриализации негативно влияет на экологическую ситуацию, что впоследствии также негативно отражается на здоровье живых организмов, в том числе людей. Воздействие антропогенных факторов больше не нейтрализуется природным кругооборотом веществ. Одна из остро стоящих экологических проблем – проблема загрязнения водной среды.

В России загрязненные водоемы и реки – такая же проблема, как и во всем мире. Подавляющее большинство проточных вод в реках не соответствуют нормативным требованиям качества воды. А многолетний мониторинг за их состоянием свидетельствует о тенденции к ухудшению качества воды и, соответственно, повышению загрязненности.

Цель системы экологического мониторинга водных ресурсов заключается в организации комплексной системы, которая непрерывно отслеживает качественное состояние воды в заданной точке и обеспечивает возможность надежного получения этих данных с заданной регулярностью. На рисунке 1 приведена схема системы мониторинга.

Рисунок 1. Схема системы мониторинга

Перед экологическим мониторингом воды также поставлены следующие задачи: обнаружение факторов, повышающих загрязненность, прогноз их вероятного развития, определение способов нейтрализации негативных воздействий, оценка эффективности проводимых нейтрализаций и обеспечение достоверной информации о состоянии водного субъекта.

Мониторинг водной среды осуществляется с помощью химического и физико-химического анализа пробы воды, так как загрязнение воды меняет ее физико-химические показатели и органолептические свойства. Их изменение практически означает ограничение на применение такой воды. Загрязненную воду можно определить без оборудования по запаху, цвету и мутности. Однако использование измерительных инструментов, например для измерения количества тяжелых металлов, предоставит более точные данные для анализа, благодаря которому возможно установить причины загрязнения.

Так, для экологического мониторинга применяют современные технические средства, измерительные и вычислительные методы, основой которых служат микроконтроллеры и компьютеры.

Постановка задачи

Рост и развитие урбанизации и индустриализации введет к неконтролируемому загрязнению водных ресурсов токсичными и опасными отходами. Из чего следуют проблемы уничтожения биоты водной среды, использования морепродуктов в пищу, сырья для лекарств и витаминов, проблема питьевой воды, повышения вероятности заболевания людей, например, онкологическими болезнями, заражениями паразитами и др.

Для решения общемировой проблемы требуется комплексный подход. В качестве ключевого контроля за увеличением предельно допустимых концентраций опасных веществ в приточных водах может выступать система экологического мониторинга водного бассейна с использованием датчиков сбора и проверки вредных химических элементов и может быть развернута система передачи данных для удаленного мониторинга и оперативного реагирования.

Для проектирования системы экологического мониторинга проточных вод требуются датчики, способные реагировать на большое число вредных химических элементов, а также на совокупность физических и химических свойств воды. Таким образом, датчики-анализаторы должны измерять концентрации следующих тяжелых металлов: мышьяк (III), As (III); кадмий, Cd; медь, Cu; свинец, Pb; марганец, Mn; ртуть, Hg; цинк, Zn; а также температуру и жесткость воды.

Структура системы экологического мониторинга проточных вод

Ряд измеряемых элементов относятся к числу тяжелых металлов, накопление которых приводит к поражению и нарушению функций органов, развитию хронических заболеваний, передающихся по наследству, как у человека, так и у животных, обитающих на разных ареалах, определенных акваторией или территорией.

Для контроля значений проб, полученных в водном бассейне, существуют предельно допустимые концентрации, а также класс опасности, которые установлены в законодательном порядке (таблица 1).

Таблица 1.

Предельно допустимые концентрации вредных веществ

Исходя из предельно допустимых концентраций тяжелых металлов в проточных водах, датчик-анализатор должен включать минимальный и максимальный порог значений обнаружения металлов, приведенный в таблице 2.

Таблица 2.

Пороговые значения обнаружения химических элементов

Тяжелые металлы проникают в грунтовые воды, которые, в свою очередь, связаны с природными источниками питьевой воды. При ее употреблении химические элементы наносят серьезный вред здоровью человека.

Датчики-анализаторы являются многофункциональным и рациональным средством независимого и настраиваемого забора проб, формирования определенным образом блока данных и последующей оформленной пакетной передачи, обработки и хранения.

Принцип действия датчиков для анализа водного бассейна основан на электролитическом методе. Его сущность заключается в физико-химической реакции выделения частей разложения на катоде и аноде, если через раствор электролита или его расплав протекает электрический ток.

Для более сложных исследований может использоваться спектрофотометрический метод физико-химического расчета, при котором при помощи спектрофотометра на исследуемый раствор жидкости падают два световых потока и впоследствии вычисляется отношение упавшего и испытавшего то или иное взаимодействие с исследуемым веществом лучей. Спектрофотомерия имеет преимущество в исследовании поведения вещества и его спектра поглощения в трех областях спектра: ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной.

Структура системы экологического мониторинга проточных вод представлена на рисунке 2.

Рисунок 2. Структура системы экологического мониторинга проточных вод

 Система включает в себя следующие элементы:

• набор измерительных датчиков-анализаторов;

• оборудование для формирования данных;

• каналы передачи данных;

• центр мониторинга.

Набор измерительных датчиков-анализаторов состоит из портативного мультипараметрового измерителя, с помощью которого можно контролировать основные параметры. Для сбора и накопления данных от датчиков, а также передачи этой информации в центр мониторинга используется сервер.

Каналы передачи данных обеспечивают передачу измерительной информации от сервера в центр мониторинга, в котором в последующем производится обработка данных. Для создания канала передачи данных возможно использование проводных систем передачи, таких как оптическая линия или витая пара (RJ-45), а также беспроводные технологии передачи данных.

Центр мониторинга, состоящий из сервера, выполняет функции приема, обработки, накопления, распределения и отображения полученной информации клиентам, занимающимся вопросами и решениями в области контроля экологической обстановки окружающей среды. На базе центра есть возможность создания web-сервиса, что позволит производить удаленный мониторинг в любой момент времени.

Подобная система экологического мониторинга в дальнейшем позволит присоединять новые точки контроля проточных вод. Таким образом, с расширением предложенной системы возникнет необходимость в создании центра, который объединял бы и обрабатывал данные, полученные с каждого субъекта мониторинга. В роли такого центра может выступить ТОГУ (Тихоокеанский государственный университет).

Список литературы:

1. Структура системы экологического мониторинга для прибрежного угольного терминала / Д.В. Вегера, В.П. Писаренко, В.Е. Старовойтова, К.А. Шиманчук // Вопросы технических и физико-математических наук в свете современных исследований: сборник статей по материалам II международной научно-практической конференции. – 2018. – С. 9–18.
2. Система экологического мониторинга для прибрежного угольного терминала / К.А. Шиманчук, Д.В. Вегера, В.П. Писаренко // Материалы секционных заседаний 58-й студенческой научно-практической конференции ТОГУ. В 2 т. / отв. за вып. И.Н. Пугачев, А.В. Казарбин. – 2018. – С. 249–253.
3. Физические аспекты применения измерительных преобразований для экологического мониторинга прибрежного угольного терминала / Д.В. Вегера, К.А. Шиманчук, В.П. Писаренко, А.А. Евтушенко // Физика: фундаментальные и прикладные исследования, образование. Материалы XVI региональной научной конференции / под ред. А. И. Мазура. – 2018. – С. 12–16.
4. Система экологического мониторинга промышленных комплексов / К.А. Шиманчук, Д.В. Вегера, В.Н. Власов, Е.И. Мазур [и др.] // Ученые заметки ТОГУ. – 2019. – Т. 10, № 2. – С. 153–160.
5. Федеральный закон РФ от 21.07.2014 № 219-ФЗ «О внесении изменений в Федеральный закон “Об охране окружающей среды” и отдельные законодательные акты Российской Федерации» // Собрание законодательства РФ. – 2014. – № 30. – П. 4220.