Экологический мониторинг загазованных донных осадков

Таким образом, используя вышеописанный метод, можно создать гидроакустическую систему с разнесенными в пространстве излучающей и приемной антеннами, способную производить измерения критических углов и потерь при распространении и отражении гидроакустического сигнала от границы вода - донные осадки. Можно предположить, что для приема необходима антенна, обеспечивающая хорошее разрешение по углу, а для ихпуче-ния - обладающая узкой диаграммой направленности, которая не изменяется в широком диапазоне частот и с малой величиной боковых лепестков. Л также излучающая антенна должна быть малогабаритной для простоты реализации механики сканирования диаграммы направленности по углу места. Учитывая требования необходимые для излучающей антенны, возможна ее реализация на базе параметрических излучателей, которые обладают всеми необходимыми качествами.

Следовательно, используя гидроакустическую систему, построенную на основе вышеизложенного метода, можно с помощью гидроакустических измерений грубо оценить структуру донных осадков исследуемой акватории. Или взяв физические пробы грунта и определив ожидаемую плотность этого грунта в донных осадках, а также непосредственно измерив скорость распространения гидроакустического сигнала в пробах, сравнить их с экспериментальными гидроакустическими измерениями дна, при которых происходит усреднение плотности и скорости грунта. На основании исследования этих данных можно косвенно получить сведения о наличии разного рода примесей в исследуемом объеме грунта не попавших по различным причинам в физические пробы, в том числе и их загазованность.

ЛИТЕРАТУРА

1. Winder A.A. Sonar system technology. IEEE Trans. Sonics, Ultrasonics. Vol. SU-22, No.5 (Sept. 1975).

2. Principles of sonar installatio. Naval underwater systems center, Technical document 6059, 1980.

3. Knight W.S., Pridman R.G., Kay S.M. Digital signal processing for sonar. Proc. IEEE. Vol. 69, No. 11 (Nov. 1981).

ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ ЗАГАЗОВАННЫХ ДОННЫХ ОСАДКОВ

Долгов А.Н., Коновалова С.С., Белоус Ю.В., Куценко А.Н., Тарасов С.П.

Моря и океаны, помимо того, что они являются источниками минерального и энергетического сырья, кормильцами человечества, имеют еще одну функцию - это главные ассенизаторы планеты. Все вредные примеси

попадают в реки, переходят в моря и океаны, которые загрязняются также непосредственно и из атмосферы. В морях и океане находит последний приют любая ‘'грязь”, рожденная на Земле. Поэтому с появлением мощнейших загрязнителей положение становится угрожающим, особенно в прибрежных мелководных районах. В зоне шельфа обитает преобладающее большинство видов морской фауны. В то же время эта зона наиболее активно используется при добыче нефти и рудных полезных ископаемых и оказывается наиболее загрязненной. Необходимо непрерывно следить за этим процессом и своевременно реагировать на него.

Существует подход предполагающий контроль состава и параметров донных осадков, существенно определяющих экологическое состояние водной среды морей и внутренних водоемов. Этот подход требует разработки технических средств, одним из которых являются гидроакустические и использование их наряду с другими инструментами экологических исследований.

Одним из видов донных осадков являются современные отложения пресноводных водоемов, содержащие более 15% органического вещества, именуемые сапропелью. Исходным материалом для образования сапропелей служат растительные и животные организмы, населяющие водоем (планктон, макрофиты и бентос), которые, отмирая, падают на дно водоема. Но это не простое механическое накопление отмерших организмов, а сложный биохимический процесс. Если остатки отмерших высших растений, разложение которых протекает медленно, непосредственно участвуют в формировании отложений, то планктон, быстро разлагаясь, участвует в образовании сапропеля в основном за счет реакций синтеза продуктов его распада. Огромная роль в образовании сапропелевых отложений принадлежит так же микроорганизмам.

Органическое вещество сапропелей состоит не только из образований самого озера, но пополняется и за счет поступления с водосбора истинных и коллоидных растворов, а также оформленных частиц (листья, пыльца и споры растений). Сток с водосбора обогащает сапропель также и кластическим материалом - песчанистыми и глинистыми частицами. Кроме того, накопление минеральных веществ происходит и за счет выпадения из раствора кристаллических солей под влиянием геохимических процессов и в результате жизнедеятельности водных организмов. Таким образом, в итоге сложных физических, химических и биологических процессов сапропель оказывается обогащенным, помимо собственно органического вещества, кальцием, фосфором, железом, микроэлементами и физиологически активными веществами, то есть природа создает естественную кладовую комплексных удобрений и витаминно-минеральной подкормки сельскохозяйственных животных.

Процесс разложения органического вещества зависит от содержания кислорода в воде: при отсутствии кислорода органическое вещество не разлагается, а при недостатке кислорода - разлагается частично. Сапропелевые отложения формируются на дне озера в верхнем неуплотненном слое донных отложений - пелогене («илообразующий») при недостатке или полном отсутствии кислорода. При этом преобладают восстановительные реакции, ведущие к образованию органических соединений, обогащенных водородом. Био-

180

химические процессы с глубиной затухают, количество микроорганизмов резко уменьшается, а на глубине 0,5 - 1,0 м наступает консервация сапропе-лей.

Состав и свойства донных отложений тесно связаны с типом водоема и естественно историческими условиями его развития: климатом, рельефом, литологией пород окружения. Так, зольность сапропелей изменяется в зависимости от климата и рельефа. Отложения сапропеля бессточных и слабосточных озер более мощные по сравнению с проточными озерами.

В газонаполненных осадках содержатся различные по химическому составу газы, прежде всего - это хорошо растворимые, такие как углекислый газ, содержание которого достигает 50%. Для газопроизводящих морских осадков характерно высокое содержание плохорастворимых газов, прежде всего метана и азота. Содержание этана и пропана обычно очень мало . во внутренних водоемах обычно высокое, по сравнению с морскими иламн, содержание водорода. Процентное содержание перечисленных газов и их распределение по глубине меняется в зависимости от времени года.

Одним из главных методов обобщений сведений по дну океана является геологическое картографирование. Такой способ представления геоаку-стических данных более всего отвечает потребностям акустики океана, поскольку обеспечивает плановое изображение неоднородностей дна океана. В настоящее время для отдельных районов имеются многочисленные карты различной детальности. Но, как правило, вся сложность рельефа и осадочного покрова остается за пределами подобных представлений, и остается лишь догадываться о действительном распределении неоднородностей различного масштаба. Вся имеющаяся информация об этой структуре сводится к геоло-го-физическим разрезам.

Для детального исследования состава и характеристик донных отложений извлекают пробы грунта. Сведения о типах отложений на поверхности морского дна получают путем драгирования или траления. Для этих же целей используют, так называемый, черпак. Характер изменений состава донных осадков по глубине толщи при этом остается неизвестным.

С целью получения вертикальных разрезов толщи отложений используют грунтовые трубки для отбора проб. Большинство таких устройств состоит из пустотелой трубки с тяжелым грузом в верхней и какого-нибудь приспособления для удержания колонки грунта в нижней ее части. Грунтовые трубки такого типа при погружении на дно моря под действием силы тяжести проникает в отложения на глубину до 3 м. Существуют такие трубки поршневого типа, позволяющие извлекать более длинные колонки донного грунта.

Эффективным является метод исследования геоакустических характеристик морского грунта с помощью глубоководного бурения. Но для океана в целом таких скважин исключительно мало. Так, одна скважина приходится на 600 тыс. км3. Следовательно, данные бурения дают лишь самые общие представления о дне.

Наиболее перспективным направлением широкого исследования дна океана являются совместные акустические и геофизические исследования с соблюдением единства времени и места. В настоящее время подобные рабо-

181

ты проводятся лишь в отдельных случаях. Исследования показывают, что лучшие результаты получались в тех случаях, когда на борту судна совместно с акустиками работали океанологи, геологи, геофизики, экологии. В задачу геологов и геофизиков должно входить построение геоакустической модели дна. Акустики же смогут наиболее полно объяснить результаты своих экспериментов. Совместные исследования приведут к созданию акусто-океанологических стереотипов, которые послужат эталонами при наиболее обобщенном акусто-океанологическом районировании дна.

Поскольку к гидроакустической аппаратуре такого класса предъявляются требования связанные с необходимостью использования низких частот и одновременно формирования узкой характеристики направленности для получения высокого разрешения, то наиболее удобным средством являются профилографы на основе параметрического излучения.

С помощью параметрического профилографа, в принципе, можно '‘прозвучи вать” донные осадки на значительную глубину, однако, наиболее привлекательным является стратификация именно верхней кромки осадочного чехла с высоким разрешением. В силу своей широкополосности, параметрический профилограф способен адаптивно решать задачу профилирования донных отложений, позволяя выбрать оптимальную рабочую частоту в зависимости от вида и типа донного грунта. При этом “озвученный” объем на разных частотах будет одинаковым благодаря свойству постоянства характеристики направленности параметрической антенны в широком частотном диапазоне.

Для определения энергетических характеристик профилографа при локации придонных слоев необходимо учесть коэффициенты отражения и про-хождения для каждого слоя фунта и затухание в грунте.

Выражение для вычисления акустической мощности по каждой из частот накачки, необходимой для регистрации слоя донных осадков, залегающего на глубине А, будет иметь вид:

2-10Ъ5Р.»Н .ю0’05^0’1^^

уу = . У.

0 й-4гН^-Р1а1в1(В,у')^гик1>-'

п

где О. — Г7^т(ет+1) '^(т+\)т '^т(т+1) ' ^ {т+\){т+2) - при стратификации /п*1

А

п донных слоев; АрЛ,р = Е#Л,-

М = 1

Полученное выражение позволяет рассчитать мощность по каждой из частот накачки, необходимую для стратификации донных осадков с учетом их характеристик, или определить отношение сигнал/помеха, которого можно достичь при разных параметрах зондирующего сигнала и акустических характеристиках донных грунтов.

Используя методику расчета и данные об акустических свойствах донного грунта, проведем расчет основных характеристик параметрического излучающего тракта профилографа. Диапазон разностных частот выберем на

182

основании данных литературы и накопленного опыта. Из соображений лучшего проникновения в морской грунт диапазон частот определим в пределах 3-30 кГц. Расширение его в сторону низких частот нецелесообразно, несмотря на уменьшение коэффициента затухания при снижении частоты, так как это приведет к увеличению длительности импульса и, следовательно, снижению разрешающей способности. Расширение диапазона в сторону более высоких частот повлечет за собой увеличение потерь из-за поглощения в грунте, а, кроме того, - необходимость повышения частот накачки и, тем самым, приведет к уменьшению коэффициента преобразования по давлению для всего диапазона разностных частот. Уровень необходимой акустической мощности зависит от типа донных осадочных структур, от соотношения их акустических характеристик. На рис.1 представлены частотные зависимости акустической мощности по частотам накачки, необходимой для регистрации границы раздела двух типов фунтов, находящейся на глубине 5 м, для различных сочетаний донных осадков. Кривые 1 и 3 построены при разных коэффициентах отражения и одинаковых коэффициентах затухания в грунте, т.е в предположении, что пятиметровый слой глинистых осадков с /7=1420 кг/м’ и с=1512 м/с лежит над песчаными осадками с р = 1560 кг/м3 с-1552 м/с (кривая 1) и над крупнозернистым песком с р = 2030 кг/м3 и с=1836 м/с (кривая 3). Чем больше коэффициент отражения границы раздела двух типов фунтов, тем меньшая величина акустической мощности требуется для достижения одинаковых характеристик обнаружения. Кривая 2 построена для случая регистрации глубинных океанических донных структур, а именно -границы раздела между морским илом с р = 1370 кг/м3 и с= 1507 м/с и песчано-глинистыми осадками с /7 = 1580 кг/м3 и с= 1578 м/с, залегающих на пятиметровой глубине от поверхности дна. Различие в акустических сопротивлениях системы донных слоев и изменение коэффициента затухания влияет на энергетические характеристики профилографа и несколько изменяет характер кривой.

Прогнозировать потенциальные возможности профилографа и оценить диапазон частот, необходимый для работы в конкретной ситуации, позволяют зависимости отношения сигнал/помеха от глубины залегания интересующего слоя донных осадков. На рис.2 представлены зависимости коэффициента распознавания от глубины глинистого осадочного слоя, под которым находится песчаный фунт. Кривые рассчитаны для разностных частот 5, 10, 15, 20 кГц (кривые 1, 2, 3, 4 соответственно). При небольших толщинах верхнего слоя (до 4-5 м) более высокие разностные частоты позволяют получить большее отношение сигнал/помеха с учетом амплитудно-частотной характеристики параметрического излучающего тракта.

При увеличении глубины залегания границы раздела двух типов грунтов отношение сигнал/помеха снижается, причем, более резко - на более высоких частотах.

Представленные зависимости позволяют определить оптимальные характеристики параметрического профилофафа для разных типов донных осадочных структур и оценить энергетический потенциал в зависимости от параметров зондирующего сигнала, помеховой обстановки и акустических свойств донного грунта с учетом загазованности.

183

Вт

103

Т \ ! 'I \ \ 1 I I I

\ | ч\ V \ ч К \ ч . гп ина-песои ’ 1 2

1 N \ \ N •ч \ •ч "1 ИЛ-Г1 _глина-п| инолесчаник гсок крупнозернист 1 гыу. ^ -  з!

0 2 6 9 12 1 5 18 21 24 Р_,кГц

Рис.

I \ \ 1 120 кГц I 1 1

\ 15 кГ \

\ V ‘.\-

\ 10 кГ и V и 3 ’\

\ % »\ %

\ 2 > N  V

\ \ V \*.

ч % Чу \

Р_=5 кГ 1 1 V

1 ч ** ^'1

I

1 Т А Ц Й 7 Р О Ь н

5.4

4.8

4.2

3.6 3

2.4

1.8

1.2

3.6 п

Рис.2

Метод профилирования газонаполненных донных осадков с целью экологического контроля может представлять собой комплексное исследование акватории с помощью контактных и дистанционных методов.

184

Использование описанных технологий гидроакустических исследований с помощью параметрического профилографа позволяет получить сведения об экологическом состоянии среды на достаточно больших площадях и значительно сократить время проведения экологического мониторинга донных осадков на шельфе морей и во внугренних водоемах.

1. Дрейк Ч, Имбри Дж„ Кнус Дж., Турекиан К. Окен сам по себе и для нас.

М., «Прогресс», 1982. 468 с.

2. Воронин В.А,, Коновалова С.С., Тарасов С.П., Тимошенко В.И. Экологический мониторинг водных районов с использованием технологии гидроакустических исследований. Журнал «Региональная экология» РАН. №2. 1998. СПб: ИСЭП РАН

3. Voronin V.A., Tarasov S.P., Timoshenko VI. The Role of Parametric Arrays in the Ocean Research / In book “Nonlinear acoustic”. American institute of Physics (AIP PRESS). New York. 1994. P. 231-270.

РАЗРАБОТКА НОВЫХ МЕТОДОВ ДАЛЬНЕГО МОНИТОРИНГА ВОДНЫХ СРЕД. АНАЛИЗ ПОЛУЧЕННЫХ РЕШЕНИЙ

Annotation. In this paper the method of one decision of lumpy wave equation happens, describing spreading the flat monochromatic wave in ambience with changing on route of spreading the wave by velocity of sound.

Одним из важнейших направлений современной экологии является создание адекватных математических моделей позволяющих моделировать различные процессы в водных средах, начиная с влияния осадков и, заканчивая выявленьем, загряз нений среды по изменяющимся параметрам акустических взаимодействий в среде. Часто встает проблема точного мониторинга дальних объектов в среде, изменчивость характеристик, которых обуславливается изменением параметров среды, в том числе и с изменением скорости распространения звука в среде. В данной работе предложен подход позволяющий упростить процесс расчета таких задач.

Будем считать, что изменение скорости звука происходит только по одной координате, вдоль которой распространяется плоская акустическая волна [1]. Тогда волновое уравнение можно записать в виде однородного волнового уравнения, описывающего распространение плоской акустической.

ЛИТЕРАТУРА

Г.Г. Пашков

д 2 Р

m

д р

о

173

С 1 д t1