Экологический мониторинг водных бассейнов с использованием гидроакустических технологий

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Лучинин А.Г., Хилько А.И., Бурдуковская В.Г. Маломодовая импульсная томография мелкого моря // Сб. докладов X школы-семинара акад. Л.М. Бреховских «Акустика океана», совм. с XIV сессией РАО. - М., 2004. - С. 210 - 216.

2. Лучинин А.Г., Хилько А.И., Стромков А.А. и др. Экспериментальное исследование формирования маломодовых акустических импульсов в мелком море // Сб. докладов X школы-семинара акад. Л.М. Бреховских «Акустика океана», совм. с XIV сессией РАО. - М., 2004. - С. 216 - 220.

3.Гринюк А.В. Демкин В.П., Кравченко В.Н., Лучинин А.Г., Хилько А.И., Стромков А.А., Леонов И.И., Кошкин А.Г. Исследование когерентности низкочастотных маломодовых звуковых импульсов при их дальнем распространении в мелком море // Сб. докладов Нижегородской акустической научной сессии 16-17 мая 2005 г. ННГУ им. Н.И. Лобачевского. 2005 г. - Н.Новгород, 2005. - С. 124 - 126.

Н.Н. Свинобоев, С.П. Тарасов, В. Л. Чулков

ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ ВОДНЫХ БАССЕЙНОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ

Водные ресурсы являются основой как жизни и деятельности человека, обеспечивая его социальное и экономическое благополучие, так и всего животного и растительного мира. Резкое обострение проблемы обеспечения населения питьевой водой связано, прежде всего, с огромным возрастающим техногенным воздействием на окружающую и природную среду, включая атмосферу, литосферу и гидросферу. Обеспеченность человека водой - это не разовая или временная проблема, а одна из главных задач человечества, решение которой будет с каждым годом обостряться и усложняться.

Серьезная проблема в использовании поверхностных вод для питьевого и хозяйственно-бытового водоснабжения связана с их загрязнением. Мы не столько используем питьевую воду, сколько выводим её из пользования. Загрязнение идёт как за счёт очень распространённых химических элементов (хлор, азот, фосфор, сера), так и за счёт более редких (фтор, тяжёлые металлы, ртуть, кадмий и др.). Известно, что природная вода, загрязнённая отбросами промышленного и коммунального хозяйства, может стать причиной возникновения различных инфекционных заболеваний. Этот важный фактор заставляет принимать весьма серьезные меры по очищению бытовых и промышленных сточных вод. В результате сброса загрязняющих веществ со сточными водами, аварийных ситуаций на нефтепроводах, шламонакопителях и очистных сооружениях вода подавляющего большинства внутренних водоёмов требует обязательного обеззараживания и водоподготов-ки перед подачей населению, что делает её достаточно дорогим товаром.

Ещё одной проблемой является техногенное вмешательство в водную экосистему. Так, функционирование морских и речных портов невозможно без ведения дноуглубительных работ. При сбросе грунта изменяется рельеф дна, физикохимические свойства воды и донных отложений, возрастает содержание загрязняющих веществ.

В море и других внутренних водоёмах интенсивно проходит комплекс процессов самоочищения в придонном слое, куда выпадают осадки. Моллюски профильтровывают воду, очищая её.

Однако без вмешательства человека экосистема не справится со всеми происходящими в море процессами загрязнения. Поэтому, прежде всего, необходимо

добиваться сокращения сброса загрязняющих веществ на основе внедрения передовых технологий и выполнять другие мероприятия, сохраняющие чистоту и благополучие водных богатств.

Многогранность и сложность современных водохозяйственных проблем обуславливает необходимость системного подхода и реализации комплексных последовательных мер. Среди них не последнее место занимают меры непрерывного контроля состояния и измерения параметров водной среды и придонного осадочного слоя.

Донные осадки накапливают в себе всё, что содержится в водной среде. Тщательно изучая структуру дна водоёма и состав донного грунта можно получить детальную информацию о состоянии водной среды и перспективах её сохранения.

Отсюда вытекает важность проблемы непрерывного мониторинга дна и донных осадочных структур внутренних водоёмов и морей с целью повышения экологической безопасности, предупреждения стихийных бедствий, определения глобальных закономерностей осадконакопления и экологического загрязнения.

Одними из наиболее эффективных современных технологий мониторинга донных осадков являются технологии дистанционных гидроакустических исследований с использованием гидролокаторов бокового обзора и, так называемого, параметрического профилографа, позволяющие получить сведения о состоянии морского дна и придонных осадков на достаточно больших площадях и значительно сократить время мониторинга.

Исследуемая площадь ’’покрывается” сеткой галсов судна, на борту которого установлена аппаратура и антенные системы, крепящиеся на забортном устройстве. В результате исследований формируется своеобразная карта дна исследуемого района в виде вертикальных разрезов, позволяющая оценить структуру, тип, состав донных осадков и определить их изменчивость. В определённых местах (количество точек определяется периодом изменчивости структуры дна) берутся пробы донного грунта с помощью геологических трубок, которые подвергаются подробному физико-химическому анализу. Таким образом, анализ физических свойств проводится как на основе исследования акустических характеристик, так и путём прямого анализа свойств проб грунта.

Для контроля состояния поверхности морского дна используются гидролока -торы бокового обзора, позволяющие за счёт ножевидной характеристики направленности получить панорамное изображение неровностей дна с находящимися на его поверхности объектами. Разрешающая способность гидролокаторов бокового обзора за счёт применения линейно-частотно-модулированных (ЛЧМ) сигналов достаточно высока и достигает единиц сантиметров.

Стратификация донных осадков и изучение акустических свойств донного грунта производится с помощью параметрического профилографа, принцип действия которого основан на нелинейном взаимодействии акустических волн накачки при распространении в одном направлении. Образующаяся параметрическая антенна обладает высокой направленностью на низких частотах, широким диапазоном излученных частот, малогабаритностью. Исключительно полезным свойством является постоянство озвучиваемого объема в широком диапазоне частот, что позволяет сопоставлять данные измерений, полученные на разных частотах.

Однако полученных на основе анализа отраженных сигналов данных не достаточно для классификации типов осадков.

Значительно больше информации о свойствах донного грунта можно получить, используя многолучевой профилограф, построенный по принципу гидролокатора бокового обзора. Все лучи располагаются в одной плоскости, перпендикулярной направлению движения судна, причем один из них - вертикально вниз для

работы в режиме традиционного профилографа. Остальные лучи излучают сигналы в направлении дна под разными углами. Прием осуществляется одновременно на две антенны: одна располагается в том же месте, что и излучающая, другая - на некотором удалении от излучающей (например, на другом борту судна) и ориентирована так, чтобы получить информацию о бистатическом рассеянии сигналов от дна и придонных слоев. Такая, одновременно моно- и бистатическая, схема локации позволяет получить как угловую зависимость коэффициента обратного рас -сеяния дном, так и, фактически, индикатрису рассеяния, и, кроме того, получить информацию об акустических свойствах донного грунта на основе обработки сигналов в широком диапазоне частот, прошедших в осадки под разными углами. Вычисляя затухание в грунте, скорость звука, определяя углы полного внутреннего отражения и коэффициенты рассеяния, можно более достоверно судить о плотности и других физических свойствах донных осадков.

Коэффициент рассеяния от дна при облучении его сигналами параметрической антенны может быть вычислен из выражения для уровня звукового давления донного рассеяния при бистатической локации

р _ Р _(-) \ад.р.  К(фше-т- с -цд. р.

Ф _ 2.'1| X.уил '

где т)д р - коэффициент взаимной направленности для донной реверберации; ад

- коэффициент рассеяния от дна; Т - длительность импульса; с - скорость распространения звука в среде; уизл - коэффициент осевой концентрации излучающей антенны; х - расстояние до приемника; /3 - коэффициент затухания; Я-(ф) -индикатриса расстояния дна; е - угол скольжения падающего луча; р _(-) - уровень звукового давления волны разностной частоты параметрической антенны.

Уровень звукового давления сигнала разностной частоты параметрической антенны. возникающего в среде за счет нелинейного взаимодействия волн. может быть вычислен по следующей формуле [1]:

р_ _а- 2п- Р_• р01 • Р02 • • е ^ • I(В.у).

/->-1 - т а2 п

где а _—------ - параметр нелинейности; _—--------- - длина области ди-

у +1

4 Ро —о 4со

фракции волны разностной частоты; Ьъ _ ^а ; а _ - коэффициент затухания

звука на разностной частоте; Р _ - разностная частота; О _ 2рР _; Р01. Р02 -амплитуды давления волн накачки у поверхности антенны; с» - скорость звука; а

- апертура излучателя накачки; у - нелинейный параметр (для воды принимается равным 7.1); р» - равновесная плотность;

у ехр[-г - '*(1 +В В г) )]

I(В. у) _ [-------С + У.г. В +1(2 - У) Сг

0 с + у • г • В +1

ЗДесь у = X ; ГІ

1 Я.

3

1,2

длина зоны дифракции для волн накачки; ш 12 - круговая

I • I =-------------------

-‘-ОІ -‘-О 2 ~

2С0

частота волн накачки; 13 = 1/а12 - длина зоны затухания для волн накачки; а12

- коэффициент затухания на частотах накачки; г - поперечная координата.

Выражение для расчета уровня сигнала, рассеянного дном, получено с использованием методики, описанной в [1]. Оно позволяет рассчитать уровень сигнала донного рассеяния для различных характеристик параметрической антенны и пространственной ориентации антенн, а также определить оптимальные характеристики и энергетический потенциал комплекса с параметрическим многолучевым профилографом.

Использование описанных технологий дистанционных гидроакустических исследований позволяет получить информацию об экологическом состоянии среды на достаточно больших площадях и сократить время проведения и стоимость работ экологического мониторинга донных осадков во внутренних водоемах и на шельфе морей.

1. Воронин В.А., Тарасов С.П., Тимошенко В.И. Гидроакустические параметрические системы. - Ростов-на-Дону: Росиздат, 2004. - 368 с.

МЕТОДИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ АНАЛИЗА НЕФТЯНЫХ УГЛЕВОДОРОДОВ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ МОНИТОРИНГОВЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Особенностью нефтегазового комплекса Дальнего Востока является освоение нефтяных месторождений Охотского моря, которое пока остается одним из наиболее чистых и богатых морскими биоресурсами в мире. Индикатором, позволяющим оценить степень техногенного воздействия на состояние окружающей природной среды в районах добычи и транспортировки нефти на морской территории, является содержание нефтяных углеводородов (НУ) в морской воде и донных отложениях. Однако состав нефти весьма не однороден и зависит от множества факторов, а в анализируемых природных объектах НУ содержатся в очень низких концентрациях и в присутствии других органических веществ, поэтому определение НУ в подобных условиях остаётся проблемой для химиков-аналитиков.

Для определения присутствия нефти могут применяться разные аналитические методы (весовой, спектрофотометрические в ИК- и УФ-области, газохроматографический, люминесцентный, масс-спектрометрический и др.), и результаты, полученные этими методами, не всегда сопоставимы. Арбитражным является гравиметрический метод, но из-за малой чувствительности используется он, как правило, при анализе сильно загрязненных проб. В России для анализа нефтяных углеводородов чрезвычайно широкое распространение получил метод флуориметрии. Существуют и другие методы определения нефтяных углеводородов, например

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК

А.В. Романченко, А.И. Ошлакова, И.Г. Лисицкая