Разработка интегрированной мониторинговой сети для измерения солености морской воды

DOI: 10.24143/2072-9502-2018-1-18-26 УДК 551.464:504.5

С. А. Аскерова

РАЗРАБОТКА ИНТЕГРИРОВАННОЙ МОНИТОРИНГОВОЙ СЕТИ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СОЛЕНОСТИ МОРСКОЙ ВОДЫ

Мониторинг состояния морской воды является одним из основных требований проведения надежного экологического контроля водной среды. Мониторинговые сети содержат в своем составе такие элементы, как морские буйки, бакены и другие сооружения и предназначаются для измерения ряда гидрофизических параметров, в том числе солености морской воды. Разработка специализированной сети и отдельной буйковой системы измерения солености морских вод на разных глубинах позволяет более глубоко определить основные закономерности процессов загрязнения и самоочищения морских вод. Излагаются научно-методические основы разработки такой специализированной сети и вопросы ее оптимального построения. Известно, что в диапазоне 30-45 м глубины Каспия происходит уменьшение солености, а затем, в диапазоне 45-60 м, происходит почти полное восстановление значения этого показателя. Указанные изменения солености на относительно верхнем слое морских вод представляют особый интерес при изучении влияния океанологических процессов на процессы климатообразования в Прикаспийском регионе. С точки зрения информативности измерения солености поверхностных вод наиболее информативной является прослойка в диапазоне 30-60 м, где происходят инверсия и восстановление уровня солености. Показано, что в наиболее информативном поддиапазоне измерений, т.е. в поддиапазоне 30-60 м, необходима оптимизация режима работы комплекса измерений с целью повышения эффективности проводимых исследований. Показано, что в диапазоне глубин 35-50 м выбор оптимального режима измерений позволяет получить максимальное количество информации.

Ключевые слова: соленость, мониторинговая сеть, оптимизация, измерения, информативность.

Введение

Мониторинг состояния морской воды путем измерения гидродинамических и метеорологических параметров является одним из основных требований проведения надежного экологического контроля водной среды. Мониторинговые сети, создаваемые на береговых станциях, содержат в своем составе такие элементы, как морские буи, морские маяки, морские бакены и другие сооружения. Как сообщается в работе [1], в Северном Амберленде (Великобритания) была создана интегрированная морская мониторинговая сеть, состоящая из четырех буйков, установленных в береговой зоне. Система осуществляла мониторинг уровня моря, контроль качества морской воды, составляла прогнозы штормов. В [2-5] были предложены основные стандартные нормы для разработки интегрированных морских сетей, осуществляющих мониторинг состояния моря.

В [6] рассматривалась разработка интегрированной морской мониторинговой сети в южной части Каспийского моря. Сеть состоит из узлов измерения качества воды в глубоководных и неглубоководных частях моря, а также узлов контроля береговых вод. Система предназначена для измерений как гидродинамических показателей (высота волн, поток морской воды, уровень моря), так и показателей качества вод (температура, соленость, рН, мутность, электрическая проводимость) в пяти глубинных уровнях воды. Основные показатели системы по измерению качества воды показаны в табл. 1.

Таблица 1

Показатели системы по измерению качества воды

Показатель Значение

Температура 1-30; ±0,5 °С

Соленость 1-5 %о

рН 6-10

Мутность 0 ~ 5 NTU

Электрическая проводимость 17000-35000 мкСм/см

На каждой из четырех мониторинговых береговых станций была установлена глубоководная измерительная система, неглубоководная измерительная система и метеостанция. Блок-схема разработанной сети показана на рис. 1.

Рис. 1. Блок-схема мониторинговой сети, установленной на юге Каспийского моря [6]: 1 - неглубоководная система; 2 - глубоководная система; 3 - метеостанция;

4 - береговая мониторинговая станция; 5 - узел контроля качества и технической поддержки;

6 - региональная станция сбора данных; 7 - контроль качества полученных данных;

8 - центральная станция сбора данных;9 - обработка и проверка данных, интерфейсы пользователей

Как видно из блок-схемы мониторинговой сети и ее описания, представленного в [6], сеть не является специализированной и не позволяет осуществлять измерения качественных показателей воды на разных глубинах при разных значениях температуры. Известно, что соленость морской воды является хорошим показателем общей загрязненности морских вод [7] и разработка специализированной сети и отдельной буйковой системы измерения солености морских вод на разных глубинах позволила бы более глубоко определить основные закономерности процессов загрязнения и самоочищения морских вод. В связи с вышеизложенным в предлагаемом исследовании излагаются научно-методические основы разработки такой специализированной сети и вопросы ее оптимального построения.

Состояние проблемы

Следует отметить, что существует обширный материал по вопросу солености вод Каспийского моря (см. напр. [7-12]). Как отмечается в работе [7], общий диапазон долговременных изменений среднего значения солености вод Каспийского моря оценивается как 1,0-13,5 г/кг. Соленость наиболее изменчива в северной части моря из-за влияния вод р. Волги. В районе Абше-рона соленость составляет в среднем 12,5 г/кг [7] (рис. 2 [7]).

Рис. 2. Карта среднегодовой солености вод Каспийского моря [7]

Согласно данным [8], диапазон солености вод Каспийского моря составляет 5-13 г/кг. Методической основой измерения солености морских вод являются уравнение состояния стандартной морской воды [9], а также дополнительный калибровочный коэффициент, учитывающий различия в ионном составе вод Каспия по сравнению со стандартной морской водой. В общем случае соленость морских вод может быть вычислена из следующего неявного уравнения [9]:

S = с , Р

где С - общее количество ионной массы в одном литре воды; р(Т, S, P) - уравнение состояния морской воды, где Р - давление; р - плотность.

Согласно данным [9], значения солености, полученные по эмпирическим уравнениям UNESCO, всегда оказываются меньше, чем результаты химических исследований, вследствие чего используется корректировочный коэффициент

S = 1,1017 • S^/кг,

где Ssea - результат вычислений по эмпирическому уравнению UNESCO [10].

Согласно [8], уравнение состояния стандартной морской воды, т. е. функция зависимости плотности от температуры, солености и давления может быть приведено к следующему виду:

Psol = Psea (Т, O, P) + f (Т, P)[Psea(T, S, P ) - PSJT, O, P )],

где psol - плотность воды с заданным ионным составом; f(T, P) - коэффициент коррекции. Например, при Т = 25 °С, S = 12,3 г/кг, Р = 0 имеем . f = 1,0834 [8].

Как отмечается в работе [11], по показателям сезонной изменчивости солености поверхностных морских вод (SSS) и температуры поверхностных морских вод (SST) Каспийское море может быть разделено на отдельные характерные зоны. В этих зонах также определены пределы изменчивости SSS и SST. Карта распределения солености по этим зонам показана на рис. 3.

Рис. 3. Распределение показателя сезонной изменчивости SSS (DSSS) по экорегионам Каспийского моря

Как видно из данных на карте (рис. 3), показатель сезонной изменчивости варьируется от 0,53 до - 3,48 %о.

Согласно данным, приведенным в работе [8], соленость каспийских вод уменьшается по глубине в диапазоне 0-50 м, далее происходит увеличение солености (рис. 4).

salinity Ig kg"1

Рис. 4. Изменение солености морских вод Каспия по глубине Аналогичная кривая изменения солености морских вод Каспия показана на рис. 5 [12].

12 12.2 12.4 12.6 ЗаПпНу

Рис. 5. График изменения солености морских вод Каспия по глубине [12]

Согласно данным на рис. 5, в диапазоне 30-45 м по глубине происходит уменьшение солености, а затем в диапазоне 45-60 м - почти полное восстановление значения этого показателя. Такая закономерность изменения солености вод Каспия объясняется, в частности, значительным сезонным термоклином на глубине 20-50 м, т. е. резким уменьшением температуры воды на указанной глубине.

Постановка задачи

Необходимо отметить, что указанные изменения солености на относительно верхнем слое морских вод представляют особый интерес при изучении влияния океанологических процессов на процессы климатообразования.

Как отмечается в работе [13], соленость и температура обусловливают плотность морской воды, которая является важнейшим фактором, определяющим движение водных масс в океанах. Океаническая циркуляция играет решающую роль в формировании климата Земли и его изменений. Соленость поверхностного слоя воды зависит от соотношения осадков и испарения (под поверхностными водами, влияющими на климатообразование, понимается глубина 0-50 м) [14].

Важность исследования солености морской воды с целью изучения влияния гидрологических процессов на климатообразование отмечается и авторами работы [15], поставившими перед собой задачу - выяснить, как изменения в океанических потоках и солености морской воды влияют на процесс глобального изменения климата. В соответствии с данными исследователей [15], большая часть круговорота воды в природе происходит над океанами. Десятилетиями проводя измерения с помощью устанавливаемых на воде датчиков, ученые отметили изменения в круговороте воды и океанических течениях, которые происходят одновременно с потеплением

климата. Изменения в круговороте привели к постепенному охлаждению поверхности воды в одних местах и ее потеплению - в других. Чтобы получить общее представление о том, как круговорот воды влияет на климат, соленость морской воды будет замеряться с помощью спутника Aquarius (NASA).

Очевидно, что вышесказанное в отношении влияния океана на климат на планете можно отнести и к Каспийскому морю, оказывающему существенное влияние на климатообразование в Прикаспийском регионе. Это обстоятельство еще раз подтверждает важность и актуальность комплексных исследований гидрологических и физико-химических свойств морских вод Каспия, в том числе и измерений солености поверхностных вод. С точки зрения информативности измерения солености поверхностных вод, безусловно, наиболее информативной является прослойка 30-60 м, где происходят инверсия и восстановление уровня солености. В целом диапазон глубин поверхностных вод, где целесообразны измерения солености вод Каспия, можно разделить на 3 поддиапазона: 0-30; 30-60 и 60-100 м. Далее будет показано, что с целью повышения эффективности исследований в наиболее информативном поддиапазоне измерений, т. е. в поддиапазоне 30-60 м, необходимо осуществлять оптимизацию режима работы комплекса измерений.

Решение задачи

Рассмотрим случай, когда в измерительном комплексе, развернутом на море и имеющем структуру, показанную на рис. 1, осуществляются параллельные измерения на глубинах 35-50 и 50-65 м. Результаты измерений передаются на многодиапазонный преобразователь, который выставляет результаты измерений в единой относительной шкале оценок в зависимости от условной глубины Лу = Лут1П-Лутах, где Лт1п= 35 м и hmax = 65 м в первом случае и hmln= 35 м и hmax = 65 м во втором случае. В графическом виде модельная зависимость солености от условной глубины Лу показана на рис. 6.

Рис. 6. Модельная зависимость SSS от условной глубины Лу Рассмотрим функцию зависимости количества замеров от условной глубины, т. е.

N = / (Л,).

При этом количество информации, добываемое при ^м количестве измерений 88Т на глубине Лу, определим как

М, = N • ,

где о(Лу) - среднее квадратичное отклонение показателя в зависимости от Лу; ош - среднее квадратичное отклонение шумов в системе измерения. Интегрируя (1) в интервале Лут1П-Лутах, получим

-y.max / 1 \

M1 u = f N • ^^^dhr

J n y

Рассмотрим два случая линейного представления функции f(hy):

N

N

где A = const.

С учетом (2)-(4) получаем следующие функционалы:

h

y. max / j \

= f

J Г7

hymin G П

h

y.max /-7 \

M 1

hyJm,n

С учетом графических представлений, показанных на рис. 6, напишем

hy.max

M0U = f °sss

Vm,n

На базе выражений (5)-(7) можно составить следующие функционалы безусловной вариационной оптимизации:

Fi = J

hy.min G" hy .min

hy.max (, ) hy.max

F2 = f

hymin Gn hymin

Решение оптимизационных задач (8), (9) в смысле нахождения оптимальных функций

^sss.opt GSSS( hy)opt

осуществлено с учетом уравнения Лагранжа - Эйлера. Для задачи (8) получено:

2С • hy

asss

y. max y. min

т. е. при условии (10) функционал F1 достигает максимальной величины.

Решение (10) означает, что в диапазоне глубин вод 50-65 м количество измерений должно определяться выражением (3) или выбор режима измерений (3) позволяет получить максимальное количество информации в диапазоне значений глубины вод 50-65 м. Для задачи (9) получено:

„

°sss(hyV k/ 2 2 V

A

V y.max y.min ^ 2 y max y.min/

h

y.min

Решение (11) означает, что в диапазоне значений глубины вод 35-50 м количество измерений должно определяться выражением (4) или выбор режима измерений (4) позволяет получить максимальное количество информации в диапазоне значений глубины вод 35-50 м.

Заключение и выводы

Таким образом, обобщая результаты оптимизации двух режимов измерений, рассмотренных выше, можно заключить, что в диапазоне значений глубины морских вод 35-50 м следует использовать режим измерений (8), а в диапазоне 50-65 м - режим (7).

Практические рекомендации для построения мониторинговой сети измерений могут быть сформулированы следующим образом:

1. В диапазоне глубин морских вод 35-50 м количество измерений SSS должно уменьшаться с увеличением глубины.

2. В диапазоне глубин морских вод 50-65 км количество измерений SSS должно возрастать с увеличением глубины.

Согласно результатам анализа режима работы мониторинговой сети измерения солености морских вод, соблюдение вышеприведенных рекомендаций позволит повысить информативность измерительной мониторинговой сети.

СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ

1. Buchanan J. B., Moore J. J. A Broad Review of Variability and Persistence in the Northumberland Benthic Fauna // Journal of the Marine Biological Association of the United Kingdom. 1986. Vol. 66. P. 641-657.

2. Walsh P. M., Halley D. J., Harris M. P., Neyo D. A., Sim I. M., Tasker M. L. Seabird monitoring handbook for Britain and Ireland. JNCC/RSPB/ITE/Seabird Group, Peterborough, 1995. 259 p.

3. Petitt R. A., Wooding F. B., Harris D., Bailey J. W., Hobart E., Jolly J., Chave A. D., Duennebier F. K., ButlerR. The Hawaii-2 Observatory // IEEE Journal of Oceanic Engineering. 2002. Vol. 27. P. 245-253.

4. Favali P., Beranzoli L. Seafloor Observatory Science: A review // Annals of Geophysics. 2006. 2/3. P. 515-567.

5. Iannaccone G., Guardato S., Vassallo M., Elia L., Beranzoli L. A new multidisciplinary marine monitoring system for the surveillance of volcanic and seismic areas // Journal of Seismological Research. 2009. 80 (2). P. 203-213.

6. Kasahara J., Iwase R., Nakatsuka T., Nagaya Y., Shirasaki Y., Kawaguchi K., Kojima J. An experimental multidisciplinary observatory (VENUS) at the Ryukyu trench using the Guam-Okinawa geophysical submarine cable. Annals of Geophysics. 2006. Vol. 49, no. 2-3. P. 595-606.

7. Najafi-Jilani A., Nik-Khah A. Development of integrated marine monitoring network on southern coastline of Caspian sea // International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering. 2011. 3. P. 136-140.

8. Peeters F., Kipfer R., Achermann D., Hofer M., Aeschbach Hertig W., Beyerle U., Imboden D. M., Rozan-ski K., Fröhlich K. Analysis of deep-water exchange in the Caspian Sea based on environmental tracers // Deep Sea Research. Part I: Oceanographic Research Papers. 2000. Vol. 47, iss. 4, pp. 621-654.

9. UNESCO, ICES, SCOR, IAPSO. Background papers and supporting data on the international equation of state of seawater 1980 // Unesco technical papers in marine science. 1981. Nr. 38.

10. UNESCO, ICES, SCOR, IAPSO. Background papers and supporting data on the practical salinity scale 1978 // UNESCO technical papers in marine science. 1981. Nr. 37.

11. Fendereski F., Vogt M., Payne M. R., Lachkar Z., Gruber N., Salmanmahiny A., Hosseini S. A. Boigeographic classification of the Caspian Sea // Biogeosciences. 2014. 11. P. 6451-6470.

12. Jamshidi S., Yousefi M. Seasonal Variations of Seawater Properties in the Southwestern Coastal Waters of the Caspian Sea // Int. J. Mar. Sci. Eng. 2013. 3(3). P. 113-124.

13. Соленость на поверхности океана. URL: http://www.geogr.msu.ru/science/aero/acenter /int_sem7/ salinity.htm.

14. Глоссарий.ты: Структура вод океана. URL: http://www.glossary.ru/cgi-bin/gl_sch2.cgi?RRywzq yzwg!iukuqlgtg.

15. Соленость морской воды и изменение климата. URL: http://www.golos-ameriki.ru/a/ocean-water-climite-2011 -06-10-123612009/236484.html.

Статья поступила в редакцию 14.12.2017

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ

Аскерова Сима Аждар гызы — Азербайджанская Республика, AZШ5, Баку; Институт экологии Национального аэрокосмического агентства; ведущий научный сотрудник; abiyeva_s @таЦ.ги.

S. A. Askerova

DEVELOPMENT OF INTEGRATED MONITORING NETWORK FOR MEASURING SALINITY OF SEA WATER

Abstract. Monitoring of sea water condition is one of major requirements for carrying out the reliable ecological control of water environment. Monitoring networks contain such elements as sea buoys, beacons, etc. and are designated for measuringvarious hydrophysical parameters, including salinity of sea water. Development of specialized network and a separate buoy system for measuring thesea water salinity at different depths makes it possible to determine major regularities of processes of pollution and self-recovery of the sea waters. The article describes the scientific and methodological basics for development of this specialized network and questions of its optimal construction. It is well-known that at a depth of 30-45 m of the Caspian Sea salinity decreases and then at a depth of 45-60 m salinity is fully recovered. The mentioned changes of salinity at the relatively upper layer of sea waters is of special interest for studying the effect of ocean-going processes on the climate forming in the Caspian area. In terms of informativeness of measurements of surface waters salinity, the most informative is a layer ata 30-60 m depth, where inversion and recovery of salinity take place. It is shown that in most informative subrange of measurements, i. e. at a depth of 30-60 m optimization of regime of measurements complex should be carried out in order to increase the effectiveness of held researches. It is shown that at a depth of 35-50 m choice of the optimum regime of measurements makes it possible to obtain the maximum amount of information.

Key words: salinity, monitoring network, optimization, measurement, informativeness.

REFERENCES

1. Buchanan J. B., Moore J. J. A Broad Review of Variability and Persistence in the Northumberland Ben-thic Fauna. Journal of the Marine Biological Association of the United Kingdom, 1986, vol. 66, pp. 641-657.

2. Walsh P. M., Halley D. J., Harris M. P., Neyo D. A., Sim I. M., Tasker M. L. Seabird monitoring handbook forBritain and Ireland. JNCC/RSPB/ITE/Seabird Group, Peterborough, 1995. 259 p.

3. Petitt R. A., Wooding F. B., Harris D., Bailey J. W., Hobart E., Jolly J., Chave A. D., Duennebier F. K., Butler R. The Hawaii-2 Observatory. IEEE Journal of Oceanic Engineering, 2002, vol. 27, pp. 245-253.

4. Favali P., Beranzoli L. Seafloor Observatory Science: A review. Annals of Geophysics, 2006, 2/3, pp. 515-567.

5. Iannaccone G., Guardato S., Vassallo M., Elia L., Beranzoli L. A new multidisciplinary marine monitoring system for the surveillance of volcanic and seismic areas. Journal of Seismological Research, 2009, 80(2), pp. 203-213.

6. Kasahara J., Iwase R., Nakatsuka T., Nagaya Y., Shirasaki Y., Kawaguchi K., Kojima J. An experimental multidisciplinary observatory (VENUS) at the Ryukyu trench using the Guam-Okinawa geophysical submarine cable. Annals of Geophysics, 2006, vol. 49, no. 2-3, pp. 595-606.

7. Najafi-Jilani A., Nik-Khah A. Development of integrated marine monitoring network on southern coastline of Caspian sea. International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering, 2011, 3, pp. 136-140.

8. Peeters F., Kipfer R. Achermann D., Hofer M., Aeschbach Hertig W., Beyerle U., Imboden D. M. Rozan-ski K., Fröhlich K. Analysis of deep-water exchange in the Caspian Sea based on environmental tracers. Deep Sea Research. Part I: Oceanographic Research Papers, 2000, vol. 47, iss. 4, pp. 621-654.

9. UNESCO, ICES, SCOR, IAPSO. Background papers and supporting data on the international equation of state of seawater 1980. Unesco technical papers in marine science, 1981. Nr. 38.

10. UNESCO, ICES, SCOR, IAPSO. Background papers and supporting data on the practical salinity scale 1978. Unesco technical papers in marine science, 1981. Nr. 37.

11. Fendereski F., Vogt M., Payne M. R., Lachkar Z., Gruber N., Salmanmahiny A., Hosseini S. A. Boigeo-graphic classification of the Caspian Sea. Biogeosciences, 2014, 11, pp. 6451-6470.

12. Jamshidi S., Yousefi M. Seasonal Variations of Seawater Properties in the Southwestern Coastal Waters of the Caspian Sea. Int. J. Mar. Sci. Eng., 2013, 3(3), pp. 113-124.

13. Solenost' na poverkhnosti okeana [Salinity on the surface of the ocean]. Available at: http: //www. geo gr. msu.ru/science/aero/acenter/int_sem7/ salinity. htm.

14. Glossarii.ru: Struktura vod okeana [Glossary.ru: structure of the waters in the ocean]. Available at: http://www.glossary.ru/cgi-bin/gl_sch2.cgi?RRywzqyzwg! iukuqlgtg.

15. Solenost' morskoi vody i izmenenie klimata [Salinity of the sea water and climate changing]. Available at: http ://www. golos-ameriki.ru/a/ocean-water-climite-2011 -06-10-123612009/236484.html.

The article submitted to the editors 14.12.2017

INFORMATION ABOUT THE AUTHOR

Askerova Sima Ajdar qzi — Azerbaijan Republic, AZ1115, Baku; Institute of Ecology of the National Aerospace Agency; Leading Researcher; abiyeva_s@mail.ru.