СУДНО ДЛЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ВОДНОЙ СРЕДЫ

СУДНО для ЭКОЛОГИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ водной СРЕДЫ
Полезная модель относится к судостроению и может быть использована при создании судов для экологического контроля состояния водной среды.
Анализ патентной и научно-технической литературы показал, что общей тенденцией в решении задачи контроля природных и сточных вод является обеспечение полноты, непрерывности и оперативности контроля, возможности автоматизации процесса анализа, а также достижение высокой точности измерений.
В большинстве известных технических решений в основу контроля положены измерения различных параметров воды, в частности, рН, электропроводности, радиоактивности, мутности, содержания растворенного кислорода, хлоридов, цианидов, тяжелых металлов и т.д. посредством размещенных в воде датчиков, регистрирующих наличие в воде тех или иных примесей, обработка показаний датчиков с целью определения их количественного содержания, сравнение результатов измерения с допустимым уровнем и документирование. Необходимость обеспечения полноты, непрерывности и оперативности контроля вызвала создание судов для экологического контроля водной среды, которые благодаря высокой мобильности и маневренности позволяют держать под постоянным контролем значительные участки речных, озерных и морских акваторий .
Известно использование судов для контроля параметров водной среды английской фирмой PLESSEY (Burr Р. Ап instrumented underwater towed vehicle. Oceanology internationale 69. Conference technical sessions, day 1. - Brighton. - 1969 (Англия), которые обеспечивают буксирование на кабель-тросе гондолы измерителя. В процессе движения гондола периодически опускается до глубины 100 м и поднимается до 8 м. Она содержит средство для отбора проб и датчики гидрофизических параметров.
2 3 101883/
МПК В63В 35/00
Недостатком данного судна является то, что оно не может обеспечить контроль загрязнения поверхности воды, донных отложений и состава грунта морского (речного) дна.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является судно, сведения о котором приведены в (Analisis of Exploration of Mining Technology for Manganese Nodyles/ Seabed Minerals Series. Volume 2.- United Nations Ocean Economics and Technology Branch.- Publiched in cooperation with United Nations by Graham & Trotman Ltd. - 1984. Стр. 20, фиг. 3). Это судно используется для поиска полезных ископаемых в морях и океанах и оборудовано аппаратурой, которая может быть использована для экологического контроля водной среды.
В состав аппартуры, размещенной на судне, входят: буксируемый агрегат с датчиками параметров придонного слоя водной среды и водозаборное устройство, связанное через буксирно-кабельную линию с подъемно-опускным устройством и приборами обработки, управляемый подводный аппарат, предназначенный для проведения осмотровых работ, система ультразвукового зондирования толщи воды с гидроакустической антенной, размещенной на днище судна, устройство для непрерывного водозабора из придонного слоя во время стоянки судна, система отбора проб донного грунта.
Судно-прототип, решая задачу контроля параметров водной среды и донных отложений, однако, не обеспечивает полноты контроля, т.к. не содержит средств для обследования приповерхностных слоев воды и средств для идентификации состава токсикантов.
Задачей полезной модели является разработка судна для экологического контроля водной среды, обеспечивающего оперативное обнаружение зон загрязнения, высокую достоверность и полноту контроля и определение качественного состава загрязнеНИИ по всем нормируемым группам токсикантов путем непрерывного обследования как глубинных, так и поверхностных слоев воды.
Для решения поставленной задачисудно для экологического контроля водной среды оборудовано подводным буксиром с размещенными на нем датчиками гидрофизических параметров воды, средствами для забора воды и грунта, телеуправляемым подводным аппаратом для проведения осмотровых работ при стоянке судна, устройством для ультразвукового зондирования с антенным блоком, установленным на днище судна, а также аппаратурой обработки информации и анализа воды. Кроме этого судно оснащено устройством контроля воды на загрязненность нефтепродуктами, оптический блок которого установлен на выносной консоли в носовой оконечности судна, а также устройством контроля параметров приповерхностного слоя, погружаемый блок которого с измерительными датчиками и устройством водозабора закреплен на каретке, которая установлена с возможностью перемещения по направляющей, состоящей из неподвижной секции, укрепленной на форштевне судна, и поворотной секции, которая в рабочем положении состыкована с неподвижной секцией, продолжая вверх линию форштевня, и установлена с возможностью разворота в вертикальной плоскости до упора, размещенного на палубе судна. Неподвижная секция направляющей имеет в сечении стреловидное окончание, формирующее контур носового обвода судна. При этом все забортные устройства водозабора подключены к гидромагистрали 6 в которой предусмотрены раздельные отводы к аппаратуре гидрохимического анализа по каждому обследуемому горизонту.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, на которых представлены:
фиг.1 - судно для экологического контроля водной среды, общий вид;
фиг.2 - схема размещения оборудования на палубе судна, вид сверху;
6 . -3.
фиг.З - схема размещения спуско-подъемного устройства подводного буксира;
фиг.4 - схема размещения спуско-подъемного телеуправляемого подводного аппарата;
фиг.5 - схема размещения устройства контроля параметров приповерхностного слоя воды;
фиг.б - сечения А-А и Б-Б на фиг.5;
фиг.7 - схема разводки гидромагистрали.
Согласно полезной модели в качестве носителя исследовательского оборудования для экологического контроля выбрано двухпалубное судно 1 с избыточным надводным бортом, протяженной надстройкой, наклонным форштевнем и транцевой кормой. Судно 1 содержит подводный буксир 2, телеуправляемый подводный аппарат (ТПА) 3, устройство 4 для забора воды из придонного слоя во время стоянки судна, устройство 5 контроля параметров приповерхностного слоя, гидромагистраль б с отводами к аппаратуре 7 гидрохимического анализа, размещенной в рубочном помещении и связанной с аппаратурой 8 обработки информации. На днище судна 1 установлен антенный блок устройства 9 ультразвукового зондирования толщи воды, связанный с аппаратурой 10 регистрации и представления данных (РПД), установленной в рубочном помещении. Устройство 11 контроля воды на загрязненность нефтепродуктами оптически связано с приемо-передающим объективом (оптической головкой) 12, установленной на выносной консоли 13 в носовой оконечности судна 1. Кроме этого в состав оборудования судна входят пробоотборник 14 для отбора поверхностных проб донного грунта и трубка 15 грунтовая для отбора колонковых проб донных отложений.
Для управления работой забортных устройств судно оснащено спуско-подъемным технологическим оборудованием. Электрические связи между аппаратурой 7, 8, 9, 10 обеспечиваются посредством кабелей, заведенных в соединительные ящики, расположенные в
судовых понещениях и на палубах судна в местах подключения к соответствующему оборудованию.
Подводный буксир 2 (фиг.1, 3) состоит из забортной части, выполненной в виде углубителя 16 рамной конструкции, снабженного симметричными боковыми стабилизаторами 17, которые складываются при подъеме углубителя на борт судна, и буксирно-кабельной системы 18, представляющей собой линейную конструкцию на основе металлического троса, обрамленного пластмассовыми обтекателями, через которые проходят, кроме троса, шланг устройства 19 водозабора, подключенный к гидромагистрали б, и наборный электрический кабель для подачи электропитания и съёма текущих показаний датчиков 20 гидрофизических параметров (ГФП) воды, размещенных на раме углубителя 16.
Состав датчиков 20 ГФП может быть представлен стандартным набором измерителей естественного состава (рН, Eh, 02) и общефизических показателей (температура, электропроводность) и дополнен, например, погружными флюориметрами 21 для непосредственных измерений содержания растворенных органических веществ, хлорофилла, нефтепродуктов и др. Обработка измерительной информации с датчиков 20 ГФП и флюориметров 21 производится аппаратурой 8 обработки информации.
Спуско-подъемное устройство подводного буксира 2 (фиг. 3) содержит установленную в помещении на верхней палубе судна 1 гидравлическую лебедку 22 для порядной многослойной намотки буксирно-кабельной системы 18 с вертикальным расположением оси барабана, снабженную датчиком вытравленной длины и обеспечивающую тяговое усилие 3-3,5 ТС и скорость травления 5-15 м/мин, а также стационарный наклонный слип 23, установленный между площадкой 24 для размещения углубителя 16 по-походному на верхней палубе и нижней палубой. У основания слипа 23 выполнен люк наклонной шахты-клюза 25, через которую подводный буксир 2 вываливается за борт судна.
.Телеуправляемый подводный аппарат (ТПА) 3 предназначен для проведения осмотровых работ под водой во время стоянки судна с передачей телевизионного изображения на борт. Кроме телекамеры черно-белого или цветного изображения он оснащен устройствами разового отбора проб донного грунта и съемными блоками датчиков ГФП. Для определения координат относительно судна ТПА 3 имеет систему гидроакустической пеленгации, приемная антенна которой размещена в подкильном обтекателе. Примером реализации ТПА 3 может служить рекламно-техническое описание безэкипажного ТПА Seaowl Mkll фирмы Sutec. Управление ТПА 3 осуществляется оператором с автономного пульта, расположенного в рубочном помещении, или дублирующего выносного пульта 26, который установлен на палубе надстройки вблизи грузоподъемного устройства 27, посредством кабеля 28 связи, размещенного на вьюшке 29 и стравливаемого с нее по мере удаления ТПА 3 от судна 1.
Грузоподъемное устройство 27 ТПА 3 (см. фиг. 4), выполненное, например, в виде грузового крана, снабжено захватным крюком для подъема контейнера 30 (клети), в которой размещен ТПА 3, и спуска его за борт. По-походному ТПА 3 хранится в специальном помещении (кладовой ТПА) на нижней палубе, в верхнем перекрытии которой выполнен откидной люк 31.
Устройство 4 для забора воды из придонного слоя на стоянке судна состоит из шланга со штуцером 32 водозабора на входном конце, опускаемого с тросом и якорь-грузом 33. Спускоподъемное устройство размещено на палубе надстройки и представлено гидравлической однобарабанной лебедкой 34 (шлангоемкостью 70м с тяговым усилием 150 кГс, скоростью травления-выбирания 0,2-0,5 м/с) и кран-балкой 35 с вылетом 1,7м. Выходной конец шланга от лебедки 34 имеет отвод для подсоединения к гидромагистрали 6.
3 io/s3d - s Устройство 5 контроля параметров приповерхностного слоя (фиг. 5) размещено в носовой оконечности судна 1. Оно содержит погружаемый блок 36, закрепленный на каретке 37, которая установлена на направляющей с возможностью продольного перемещения. Направляющая состоит из двух секций 38, 39, имеющих продольные пазы 40 для каретки 37. Секция 38 направляющей неподвижно укреплена на форштевне судна 1 и является стационарной. Поворотная секция 39 направляющей в рабочем положении состыкована с неподвижной секцией 38, продолжая вверх линию форштевня судна 1. Вблизи стыкуемого конца поворотная секция 39 снабжена крепежной планкой с отверстием под ось 41 осевого крепления, установленного в носовой части палубы. Для размещения поворотной секции 39 по-походному предусмотрены упор 42, на который она опрокидывается при развороте вокруг оси 41, и талреп 43.
Погружаемый блок 36 устройства 5 оснащен датчиками 44 ГФП, аналогичными датчикам 20 ГФП подводного буксира 2, а также флюориметрами 45 и устройством 46 водозабора. Для защиты от механических повреждений злектрического кабеля от измерительных датчиков 44 и флюориметров 45 и шланга устройства 46 водозабора на обеих секциях 38 и 39 направляющей выполнены фигурные полости 47 (см. фиг.6), в которые закладываются кабель и шланг. Неподвижная секция 38 направляющей имеет в поперечном сечении (вид Б-Б на фиг.б) стреловидное завершение,которое формирует контур носового обвода судна.
На свободном конце поворотной секции 39 направляющей установлены спаренный блок 48 для прокладки кабеля и шланга от сдвоенного барабана вьюшки 49 и поворотный блок 51 для троса от лебедки 52, свободный конец которого связан с креплением 50 на каретке 37.
Гидромагистраль б (фиг.7) представляет собой систему трубопроводов с непрерывным протоком воды, который обеспечивается магистральным насосом 53. Входные трубопроводы 54-56 подключены к шлангам устройств 19, 32, 46 водозабора забортных устройств 2, 4, 5 соответственно, и имеют выполненные до насоса 53 отводы к приборам 57-59 аппаратуры 7 гидрохимического анализа, который выполняется раздельно по каждому контролируемому горизонту. Слив воды, прошедшей проверку, производится в специальную емкость 60. После насоса 53 проточная вода из трубопроводов 54-56 поступает в трубопровод 61 основной магистрали и далее через систему слива сбрасывается за борт вне зоны водозабора. Для промывки гидромагистрали 6 предусмотрена специальная емкость 62 с моющим раствором, который прокачивается насосом через трубопроводы 54-56 и 61 и возвращается в емкость 62 по кольцевому отводу 63.
Задачей аппаратуры 7 гидрохимического анализа является реализация экспрессных методов измерений непосредственно в потоке воды. В частности, используется метод хемилюминесцентного анализа, позволяющий выявить общее загрязнение Головина Н.П., Левшин Л. В. Химический люминесцентный анализ неорганических веществ.- М.: Химия.- 1992, различные варианты фотометрии в видимой области спектра для контроля суммарного содержания тяжелых металлов, фосфатов, сульфатов, нитратов, нитритов Бернштейн И.Я., Каминский Ю.А. Спектрофотометрический анализ в неорганической химии.- Л.: Химиия.- 1975, метод проточно-инжекционного анализа Кузьмин И.М., Золотев Ю.А. Автоматизация при концентрировании микроэлементов./ журн. Аналитическая химия, 1987. - Вып.5.- С. 773-787. При необходимости оценки количественного содержания токсикантов используются методы детального анализа.
Аппаратура 8 обработки информации представляет собой многомашинный цифровой вычислительный комплекс, имеющий двухуровневую структуру. На первом уровне производится первичная обработка показаний датчиков 20, 44 ГФП, размещенных на углубителе 16 подводного буксира 2 и погружаемом блоке 36 устройства 5
контроля параметров приповерхностного слоя воды и, соответственно, флюориметров 21 и 45, а также приборов 57-59 гидрохимического анализа. Второй уровень вычислительного комплекса представлен прибором оператора, осуществляющим систематизацию и совместную обработку выходных показаний приборов первого уровня, отображение, регистрацию и хранение результатов анализа, а также взаимодействие с внешними устройствами, управление работой аппаратуры. Аналогом аппаратуры 8 обработки информации является, например, судовая система сбора, регистрации и отображения данных Гродецкий Ю.А. Организация системы сбора и обработки гидрологической информации на научно-исследовательской судне на основе локальной вычислительной сети/ Труды ААНИИ.- Л.: Гидрометеоиздат.- 1990.-Т. 419.
Устройство 9 ультразвукового зондирования предназначено для поиска и обнаружения слоев с аномальными звукорассеивающими характеристиками, вызванными наличием грязевых линз, других механических и биологических включений. Аппаратура реализована на основе серийно выпускаемого рыбопоискового эхолота СарганЭМ Текунов А.Н. Рыбопоисковые приборы и комплексы.-Л.: Судостроение.- 1989 и содержит размещенные на днище судна 1 низкочастотную и высокочастотную антенны, импульсный двухчастотный генератор, размещенный вблизи антенн, и блок 10 регистрации и представления данных (РПД), который установлен в рубочном помещении и связан с аппаратурой 8 обработки информации.
Устройство 11 контроля воды на загрязненность нефтепродуктами является автономным прибором и осуществляет обнаружение нефтяных пленок на поверхности воды, измерение толщины пленки и типа нефтепродукта. В качестве варианта аппаратуры, реализующей указанные задачи, может быть использован дистанционный спектрофлюориметр по авт.свид. СССР N 1112943, использующий принцип облучения приповерхностного слоя воды лазерным локатором ультрафиолетового диапазона и последующего компьютерного анализа интенсивности и времени затухания лазерно-индуцированной флюоресценции нефтепродуктов Межерис Р. Лазерное дистанционное зондирование,- М. : Мир.- 1987. Прибор состоит из лазерного излучателя, приемо-передающего объектива (оптической головки), полихроматора, фотоприемного блока и микропроцессорного блока. Оптическая головка 12 устройства 11 установлена на выносной консоли 13, размещенной на палубе в носовой оконечности судна (см. фиг.2). Остальные блоки установлены в рубочном помещении. Оптические блоки соединены волоконно-оптическими линиями связи.
Используемые на судне пробоотборники грунта представлены пробоотборником 14 для отбора поверхностных проб донного грунта и трубкой 15 грунтовой для отбора колонковых проб донных отложений глубиной до 1 м. В качестве пробоотборника 14 используется, например, дночерпатель АПГ-0,16 грейферного типа, состоящий из укрепленных на раме двух ковшей с рычажным приводом от пневмогидростатического цилиндра. Примером трубки 15 грунтовой может служить прямоточный гравитационный пробоотборник ТГ-1/80 Техника и технология морских геологоразведочных и горнодобывающих работ/ Сб. научных трудов//Мингео СССР.-ПГО Севморгеология - Л.,1984,состоящий из керноприемной трубы, груза-стабилизатора, свободной петли и груза-разведчика. Спуско-подьемное оборудование пробоотборников 14, 15 установлено на палубе надстройки, используется поочередно для взятия поверхностных или глубинных проб и состоит из гидравлической барабанной лебедки 64 (с тяговым усилием 100-1000 кГс, скоростями подъема 0,2-2,0 м/с и спуска 1-5 м/с) и   кран-балки 65 грузоподъемностью 1000 кГс с вылетом 2,5 м. Канатная оснастка включает блок, коуш, вертлюг, скобы.
Судно 1 для экологического контроля водной среды используют следующим образом.
II т При подготовке к рейсу производят промывку гидромагистрали б. Для этого перекрывают входы трубопроводов 54-56, соединенные с забортными устройствами 19, 32, 46 водозабора, открывают отводы от емкости 62 с моющим раствором, который прокачивают через трубопроводы насосом 53. Остатки воды удаляют сжатым воздухом. Устанавливают по-походному исследовательское оборудование судна. При этом ТПА 3 размещен в контейнере 30 и находится в кладовой ТПА, расположенной на нижней палубе судна 1. Кабель связи 28 намотан на вьюшку 29. Трос со шлангом устройства 4 для забора воды из придонного слоя выбраны, лебедка 34 застопорена, штуцер 32 водозабора с якорь-грузом 33 укреплены на кран-балке 35. Буксирно-кабельная система 18 подводного буксира 2 размещена на лебедке 22. Углубитель 16 установлен на площадке 24 рядом с лебедкой 22. Поворотная секция 39 направляющей спуско-подъемного устройства каретки 37 с погружаемым блоком 36 устройства 5 контроля параметров приповерхностного слоя воды развернута вдоль палубы, опрокинута на упор 42 и зафиксирована талрепом 43.Каретка 37 сдвинута к левому краю поворотной секции 39 направляющей и удерживается тросом лебедки 52. Кабель измерительных датчиков 44, 45 и шланг устройства 46 водозабора смотаны на вьюшку 49.
После отхода судна 1 от пирса включают устройство 9 ультразвукового зондирования и производят регистрацию и обработку отраженных от дна обследуемой акватории эхо-сигналов. Разворачивают вперед по ходу судна выносную консоль 13 с оптической головкой 12 устройства 11 контроля воды на загрязненность нефтепродуктами. Включают лазерный локатор и производят лоцирование невозмущенной движением судна водной поверхности в радиусе 1-1,5 км. При обнаружении разлива нефти производят оценку толщины пленки и объема разлива, а также идентификацию типа нефтепродуктов .
-ы, При подходе к району патрулирования производят постановку подводного буксира 2. Для этого приводят в действие механизм лебедки 22, освобождая буксирно-кабельную систему 18. Углубитель 16 сползает с площадки 24 на слип 23 и под воздействием силы тяжести через шахту-клюз 25 вываливается за борт судна. Путем вращения лебедки 22 увеличивают длину буксирно-кабельной системы 18 до тех пор, пока углубитель 16 при заданной скорости движения судна не достигнет заданного горизонта движения под поверхностью воды, после чего лебедка 22 застопоривается, вытравленная часть буксирно-кабельной системы 18 фиксируется и далее остается постоянной. При погружении углубителя 16 сомкнутые секции боковых стабилизаторов 17 раскрываются, за счет чего при буксировке подводного буксира 2 поддерживается горизонтальное положение измерительных датчиков 20 ГФП и флюориметров 21, размещенных на раме углубителя 16.
Устанавливают в рабочее положение устройство 5 контроля параметров приповерхностного слоя воды. Для этого освобождают крепление талрепа 43, поднимают вверх и разворачивают в вертикальной плоскости направо поворотную секцию 39 направляющей, одновременно плавно стравливая с вьюшки 49 кабель со шлангом, а с лебедки 52 - трос, и не допуская движения каретки 37 с погружаемым блоком 36. После того, как поворотная секция 39 направляющей сомкнется с ее неподвижной секцией 38, вправляют кабель и шланг в фигурные полости 47 неподвижной направляющей 38, отпускают вьюшку 49 и лебедку 52. Под действием силы тяжести каретка 37 с погружаемым блоком 36 начинает скользить по продольному пазу 40 направляющей вдоль форщтевня судна до погружения в воду. В рабочем положении глубина погружения блока 36 с измерительными датчиками составляет 1,5 - 2,0 м.
В режиме патрулирования на судне 1 включают насос 53 и начинают непрерывное прокачивание воды от устройств 19, 46 во
(
.пдозабора с двух обследуемых горизонтов по трубопроводам 54, 55 гидромагистрали 6 и подачу воды к приборам 57, 58 гидрохимического экспресс-анализа. Одновременно производят съем текущих показаний датчиков 20, 44 ГФП и флюориметров 21, 45 и их обработку в реальном масштабе времени в совокупности с выходными показаниями аппаратуры 7 гидрохимического анализа и аппаратуры 10 РПД устройства 9 ультразвукового зондирования. Обследование района акватории в режиме патрулирования производят на скорости 6-12 узлов (в зависимости от погодных условий) по заранее определенному маршруту. Результаты оценки загрязнения наносят на карту.
При обнаружении зон повышенного загрязнения судно используют в режиме обследования на стоянке. Устройство 5 контроля параметров приповерхностного слоя воды продолжает водозабор и измерения. Дополнительно начинают забор воды из придонного слоя в трубопровод 56 гидромагистрали б и ее подачу к прибору 59 гидрохимического анализа. Для этого стравливают трос с якорь-грузом 33 и шланг со штуцером 32 водозабора с лебедки 34. Для исследования образцов грунта осуществляют их отбор дночерпателем 14 и трубкой грунтовой 15, используя лебедку 64. При необходимости проведения осмотровых работ в придонном пространстве используют ТПА 3. Для этого разворачивают стрелу грузоподъемного устройства 27 в направлении к нижней палубе, опускают захватный крюк через откидной люк 31 в кладовую ТПА 3, крепят его к контейнеру 30 с ТПА 3,поднимают контейнер на палубу надстройки, а затем опускают в воду, одновременно стравливая кабель 28 связи с вьюшки 29. По команде с пульта 26 управления ТПА 3 выходит из контейнера 30 и далее выполняет заданную программу обследования.
Состав исследовательского оборудования судна позволяет производить комплексное обследование акватории и обнаружение загрязнения по всем нормируемым группам токсикантов. Использо, дя or т -13 вание аппаратуры, основанной на различных физических принципах, и дублирование при измерении ряда параметров повышают достоверность контроля и оценки экологического состояния среды. Объединение посредством общей системы водозабора и централизованной системы обработки информации отдельных измерительных подсистем, включающих забортное, палубное оборудование и рубочную аппаратуру, позволяет производить оперативную оценку качественного состава как глубинных, так и приповерхностных слоев воды.
Конструкция спуско-подъемного механизма устройства 5 контроля параметров приповерхностного слоя воды разработана с учетом конструктивных особенностей носового обвода судна и неизвестна из предшествующего уровня техники.
Таким образом, предлагаемая совокупность признаков полезной модели удовлетворяет критерию новизны и является существенной для достижения заявленного технического результата.
Описание полезной модели, представленные чертежи и существующая технология позволяют изготовить данное судно в производстве и использовать его для экологического контроля состояния водной среды, что характеризует объект как промышленно применимый.
If, g9
-к