Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Родники как объекты водопользования населения (обзор литературы) 14
1.1 Родник – понятие и классификация 14
1.2 Эколого-географическая характеристика района исследований – ПП «Кумысная поляна» г. Саратова 21
1.3 Виды загрязнения родников 29
1.4 Методы мониторинга подземных вод и родников 30
1.5 Понятие математического моделирования и использование его в экологических исследованиях 34
1.6 Понятие кластерного анализа и его применение 41
ГЛАВА 2 Материалы и методы исследования 44
2.1. Объекты исследования 44
2.2 Методы исследования 45
2.2.1 Определение гидрологических показателей 45
2.2.2 Определение физико-химических показателей 46
2.2.3 Определение микроэлементного состава анализируемых родников 47
2.2.4 Оценка микробиологических показателей 48
2.2.5 Методы геоинформационного моделирования 49
2.2.6 Методы статистической обработки экспериментальных данных 50
ГЛАВА 3 Оценка экологического состояния родников пп «кумысная поляна» г. саратова по данным мониторинга за 2009-2013 гг.. 51
3.1 Оценка органолептических и химико-аналитических показателей воды исследуемых родников 51
3.2 Определение микроэлементного состава исследуемых родников 57
3.3 Определение физиологической полноценности воды родников 63
3.4 Микробиологические исследования воды родников ПП «Кумысная поляна» г. Саратова 66
ГЛАВА 4 Кластерный анализ родниковых вод ПП «Кумысная поляна» г. Саратова 71
ГЛАВА 5 Геоинформационное моделирование территорий пп «кумысная поляна» с родниками 79
5.1 Выбор методов геоинформационного моделирования 79
5.2 Геоинформационное моделирование рельефа ПП «Кумысная поляна» г. Саратова 85
5.3 Разработка математических моделей таяния снежного покрова 91
5.4 Математическое компьютерное моделирование процессов фильтрации в водоносных слоях и осаждения частиц, взвешенных в водном потоке. 93
ГЛАВА 6 Использование современных компьютерных технологий для экологической паспортизации родников ПП «кумысная поляна» г. Саратова 100
Заключение 106
Выводы 112
Список используемой литературы
- Эколого-географическая характеристика района исследований – ПП «Кумысная поляна» г. Саратова
- Определение физико-химических показателей
- Определение физиологической полноценности воды родников
- Разработка математических моделей таяния снежного покрова
Эколого-географическая характеристика района исследований – ПП «Кумысная поляна» г. Саратова
Для обеспечения населения качественной питьевой водой проводится государственный экологический мониторинг водных объектов,представляющий собой систему наблюдений, оценки и прогноза изменений состояния водных объектов (Водный кодекс Российской Федерации, 2007, 13). Однако использование воды поверхностных источников для питьевых целей достаточно проблематично ввиду нестабильности их качества. Эта проблема актуальна для всех волжских городов, которые используют для питьевого водоснабжения населения воду из водохранилищ, образующих волжский каскад. Основной причиной загрязнения водохранилищявляется сброс загрязненных сточных вод в результате недостаточного строительства очистных канализационных сооружений в городах и рабочих поселках, состояние существующих очистных сооружений, требующих реконструкции, внедрения современных технологий очистки сточных вод (Доклад о состоянии и об охране окружающей среды Саратовской области в 2012 году, 30). Поэтому все более актуальным становится оценка запасов и возможности использования подземных вод на территории Поволжья. В этом плане особый интерес представляет использование родников для водоснабжения населения (Орлов, 2003, 80).
Родник (источник, ключ) – естественный сосредоточенный выход подземных вод непосредственно на поверхность земли или под водой(СТ СЭВ 2086-80, 113).Выход подземных вод может иметь и другие формы – пластовый выход (выход на поверхность воды большими площадями), возникающий на участках выклинивания пластов высокой проводимости, перекрытых сверху пластами с низкой водопроводимостью,и можачина– слабый выход подземных вод, образующий избыточно увлажненные участки суши, без формирования четко оформленного стока (Ланге O.K., 1998, 50).
Грунтовые воды образуются в основном за счёт инфильтрации (просачивания)атмосферных осадков и вод рек, озёр, водохранилищ, оросительных каналов; местами запасы грунтовых вод пополняются восходящими водами более глубоких горизонтов (например, водами артезианских бассейнов), а также за счёт конденсации водяных паров.
Инфильтрация — процесс просачивания атмосферных осадков и поверхностныхводвгорные породыи почву по капиллярным и субкапиллярным порам, трещинамдругих пустот и движение этой гравитационнойвлагиотповерхностиЗемличереззонуаэрациидоуровнягрун товых вод. Различают инфильтрацию свободную и нормальную.
Свободная инфильтрация — нисходящее движение воды в виде отдельных струй под действием силы тяжести и частично капиллярных сил по трещинам или каналам.
Нормальная инфильтрация — движение воды через поры пород зоны аэрации под действием разности напоров (Климентов П.П., Богданов Г.Я., 1977, 37).
Дебитом или расходом родника называется количество воды, которое дает источник в единицу времени (л/с, м3/сут).
Образование родников может быть обусловлено различными факторами: фильтрационной неоднородностью водовмещающих пород, пересечением водоносных горизонтов отрицательными формами современного рельефа (например, речными долинами, балками, оврагами, озерными котловинами), геолого-структурными особенностями местности (наличием трещин, зон тектонический нарушений, контактов изверженных и осадочных пород) и др. Единая общепринятая классификация подземных вод до сих пор не создана. Это связано с большим разнообразием их свойств, условий залегания, движения и т. д. Подземные воды можно подразделить по ряду признаков, например по температуре, степени минерализации, интенсивности водообменаи т. д. Наиболее популярна классификация гидрогеолога А. М. Овчинникова (1948), подразделяющая источники в зависимости от питания водами на три группы: верховодки, имеющие резкие колебания дебита, химического состава и температуры воды; грунтовые, отличающиеся большим постоянством во времени, но так же подвержены сезонным колебаниям дебита, состава и температуры (подразделяются на эрозионные, контактныеи переливающиеся); артезианские воды, характеризующиеся наибольшим постоянством режима, они приурочены к областям разгрузки артезианских бассейнов.
По особенностям режима источники подразделяются на постояннодействующие, сезонные и действующиеритмически. Температура воды в источниках зависит от глубины залегания подземных вод, географического положения и характера подводящих каналов. Например, в областях развития многолетнемерзлых горных пород встречаются источники с температурой около 0С, а в областях молодого вулканизма распространены горячие источники нередко с пульсирующим режимом.
Химический и газовый состав воды источника весьма разнообразен и определяется составом разгружающихся подземных вод и общими гидрогеологическими условиями района (Альтовский М.Е., 1961, 1).
Наибольший практический интерес представляет классификация источников по гидродинамическому признаку – на нисходящие и восходящие(Кац Д.М., 1981, 36).
Нисходящие источники образуются при естественном выходе на поверхность безнапорных вод (грунтовых, трещинно-грунтовых и др.), т.е. подземная вода движется от области питания к области дренирования (сверху вниз), где и выходит на поверхность. Источники данного типа встречаются в пониженных частях рельефа (речных долинах, оврагах, балках), а также в зонах контакта пород различной водопроницаемости.
Восходящие источники образуются при выходе на поверхность напорных вод, т.е.движение воды к источникам направлено снизу вверх. Чаще всего они приурочены к скальным трещиноватым породам.Восходящий источник можно определить по колебанию в выходящей струе взвешенных песчинок, а также по выделению пузырьков воздуха и газов (Михеев В.А., 2010, 18).
Определение физико-химических показателей
Отбор проб осуществляли согласно ГОСТ Р 51593-2000 «Вода питьевая. Отбор проб» (ГОСТ Р 51593-2000, 20). Пробы воды отбирали в стерильную посуду в объеме 500 мл. Отобранные промаркированные пробы сопровождались актом отбора проб с указанием места, даты и времени забора. Анализ проводился в течение 2 часов после взятия проб.
Лабораторно-аналитические исследования проводили на базе НОЦ «Промышленная экология» кафедры экологии СГТУ имени Гагарина Ю.А. и в аккредитованной испытательной лаборатории «ЭкоОС» СГТУ в период 2009-2013 гг.
Измерение температуры воды производили во время отбора пробы, погружая термометр непосредственно в воду на 10 мин. Перед измерением температуры воды регистрировали температуру окружающего воздуха сухим термометром на высоте около 1 м от поверхности земли в затененном месте(ГОСТ 112-78, 22).
Дебит источника –объём воды, протекающей через поперечное сечение потока в единицу времени(л/мин или л/с), определяли следующим образом: под трубу, из которой вытекает вода благоустроенного родника, подставляли стеклянную емкость объемом 1 литр, и по секундомеру определяли время заполнения емкости водой. Затем вычислили расход воды: а) за 1 мин; б) за 1 ч; в) за сутки (Железняков Г. В., 1968, 33). 2.2.2 Определение физико-химических показателей
Биологическое потребление кислорода на 5 сутки после забора (БПК5) определялискляночным методом (РД 52.24.420-2006, 99).
Определение нефтепродуктов исследовали ИК-фотометрическим методом основано на выделении нефтяных компонентов из воды экстракцией четыреххлористым углеродом, хроматографическом отделении углеводородов от соединений других классов в колонке с оксидом алюминия и количественном их определении по интенсивности поглощения(РД 52.24.476-2007, 100). 2.2.3 Определение микроэлементного состава анализируемых родников
Микроэлементный анализ воды из родников проводили с помощью масс-спектрометрического исследования на масс-спектрометре InductivetyConpledPlasmaMassSpectrometer с системой обработки данных VGPG xCell (рис. 6).Эти аналитические исследованиявыполнены на базе Центральной аналитической лаборатории Государственного научно-исследовательского института промышленной экологии Нижнего Поволжья (под руководством к.х.н. с.н.с. В.Н. Курскова).
Масс-спектрометрия – это физический метод измерения отношения массы заряженных частиц материи (ионов) к их заряду.Приборы, которые используются в этом методе, называются масс-спектрометры или масс-спектрометрические детекторы. Эти приборы определяют состав молекул веществ: какие атомы их составляют, какова их молекулярная масса, какова структура их расположения и изотопный состав. Существенное отличие масс-спектрометрии от других аналитических физико-химических методов состоит в том, что оптические, рентгеновские и некоторые другие методы детектируют излучение или поглощение энергии молекулами или атомами, а масс-спектрометрия имеет дело с самими частицами вещества. Современный масс-спектрометр представляет собой соединение газового хроматографа и масс-спектрометра с усовершенствованными методами ионизации.
В основе метода ICP-MS лежит использование аргоновой индуктивно связанной плазмы в качестве источника ионов и масс-спектрометра для разделения и последующего детектирования этих ионов.Диапазон измеряемых концентраций масс-спектрометров составляет 8 порядков, а чувствительность – от n 103 до n 105 имп/сдля элемента с концентрацией 1 мкг/л.
Определение физиологической полноценности воды родников
Разработанные методологические подходы к применению IT и ГИС при исследовании территории родников ПП «Кумысная поляна» позволили смоделировать процессы фильтрации атмосферных осадков (снег, дождь) и проникновения загрязнений в родники. Полученные результаты позволили теоретически обосновать генезис родников на исследуемой территории и схожесть механизмов фильтрации атмосферных осадков, а также сделать заключение о единстве химического состава родниковых вод при отсутствии антропогенных воздействий. Полученные данные были использованы при последующей разработке структуры базы данных для экологического мониторинга родников (Маркина Т.А. и др., 2011, 65; 2012, 67; 2014, 62; 2014, 69 ).
Анализируя функционал наиболее продвинутых и популярных систем и средIT, в которых могут решаться сформулированные выше задачи, можно выделить минимальный функционал, который должен реализоваться нашим комплексом программ: 1. Получение через Интернет от клиента (исследователя) исходных данных в предусмотренных форматах и запись их во внутреннюю базу данных сервера; 2. Сохранение входных, промежуточных и выходных данных во внутренней базе данных сервера и передача их через Интернет клиенту (исследователю) в предусмотренных форматах; 3. Визуализация исходных данных и результатов расчётов.
Каждому из 14 объектов (родник, геологические условия выхода воды на поверхность, проба, образец, исследование, отчёт, вид исследования, методика исследования, прибор, приспособление, деталь, инструмент, программный продукт, документ) в БД соответствует своя таблица с уникальным номером объекта и его атрибутами. Данные исследования родников представляются в БД в форме цепочки: родник проба образец исследование отчёт и отражаются в таблицах связей. Из конкретного родника могут быть взяты несколько проб, которые разбиваются на образцы для исследования по определённым методикам с обеспечением необходимой кратности для получения заданной точности измерений и достоверности исследований. По результатам одного или нескольких исследований составляются один или несколько отчётов соответственно, которые являются основой для характеристики экологического состояния системы родников.
На основании БД разработана ГИС, позволяющая хранить данные, решать задачи комплексной характеристики качества воды, проводить анализ путей поступления загрязняющих веществ и наглядно отображать состояние родников (Маркина и др., 2011, 73).
На основании разработанных эколого-функциональных моделей создана база данных для хранения результатов экологического мониторинга родников, которая явилась информационной основой для выработки рекомендаций по рациональному использованию каждой выделенной группы родников в пределах родниковой системы ПП «Кумысная поляна» г. Саратова: – проведение сезонного экологического мониторинга по основным санитарно-гигиеническим показателям и периодическая дезинфекция каптажа (1-2 раза в год) для обеспечения эпидемиологического благополучия источников (для всех групп родников); – обустройство или реконструкция каптажей родников и прилегающих территорий с учетом их местонахождения (на территории лесного массива, либо вблизи жилых застроек) до соответствия характеристикам первой группы родников (для второй группы); – обустройство санитарно-защитной зоны, радиусом не менее 50 м, а также ликвидация источников антропогенных загрязнений (для третьей группы родников).
Для оценки эффективности функционирования системы родников ПП «Кумысная поляна» г. Саратова рекомендовано: – проведение контроля и определение объемов водозабора дачными кооперативами из скважин на территории ПП «Кумысная поляна», с целью поддержания экологически обоснованного дебита родников и загрязнения водоносных горизонтов; – регистрация результатов экологического мониторинга состояния родников и качества воды в базе данных с целью прогнозирования экологической ситуации и своевременного выявления источников загрязнения; – осуществление паспортизации родников с учетом разработанных алгоритмов и эколого-функциональных моделей; – своевременное представление информации о качестве воды родников и фактах ее загрязнения микробными и химическими агентами для водопользователей с использованием информационных стендов вблизи родников, а также средств массовой информации, в том числе сайтов экологической направленности (эко64.рф; akv64.ru; реки64.рф и др.).
Организация экологического мониторинга водных объектов и контроль качества питьевой воды является одной из актуальных проблем современной прикладной экологии. Решение этих вопросов необходимо для обеспечения безопасности здоровья населения всех регионов Российской Федерации.
Разработка рекомендаций по охране, восстановлению и использованию родников и их научное обоснование является актуальными задачами в области природообустройства и водопользования.
Проведенный анализ данных научной литературы показал практически полное отсутствие информации об особенностях экологического мониторинга родников и использования современных информационных технологий в практике их экологического мониторинга. Нами не были найдены также в доступной литературе описаниямоделей основных процессов, протекающих в родниках, и данные о программно-аппаратных комплексах, обеспечивающих сбор, обработку и отправку первичной информации о состоянии родников, подходящий по всем специфическим критериям.
Необходимость математического моделирования системы образования родников и происходящих в них процессов, позволяющего оценить степень антропогенной нагрузки и прогнозировать экологические риски, была очевидна и обоснована большим вкладом родников в водообеспечение населения. В связи с актуальностью и практической значимостью исследований такого плананами были поставлены и решены задачи проведения анализа экологического состояния системы родников природного парка «Кумысная поляна» г. Саратова и создания эколого-функциональных моделей для обоснования рационального использования родников.
Разработка математических моделей таяния снежного покрова
Исследование родниковых вод на наличие КМАФАнМ показало, что в среднем численность указанных микроорганизмов не превышала 50 КОЕ/мл – т.е. соответствовало нормам, допустимым СанПиН 2.14.1175-02, который предусматривает не более 100 КОЕ/мл.
Санитарно-гигиенические, гидрологические, физико-химические и микробиологические показатели, характеризующие экологическое состояние родников как сложной системы, как правило, носят случайный характер с большими значениями дисперсий. В этих условиях трудно сформировать группы родников, внутри которых методы водо- и природопользования имеют одинаковый характер и одинаково эффективны. Поэтому для кластерного анализа исследуемых родников была использована программа Statistica 6.0, в которой реализованы иерархические агломеративные методы формирования кластеров. Для формирования кластеров был выбран метод одиночных связей.Основное отличие между кластерами вызвано расхождениями по тринадцати показателям: физические показатели (дебит); химические показатели (рН, жесткость общая, сухой остаток, нитраты, хлориды, сульфаты, железо общее, окисляемость перманганатная); микробиологические показатели (ОМЧ), антропогенная нагрузка (посещаемость, приближенность транспорта), геологические (принадлежность к водоносному горизонту).Однако при разбивке на кластеры с учетом сразу всех показателей проблематично дать ясную интерпретацию. Нами была разработана программа группирования родников в среде MATLAB 7.0, применение которой показало ее высокую эффективность и позволило установить взаимосвязь биоэкологических, геоэкологических, морфологических и гидрологических данных по отдельным родникам и системе родников в целом. Выявлено, что на экологическое состояние родника преимущественное влияние оказывают наличие антропогенной нагрузки, обустроенность каптажа, а также присутствие источников загрязнений.Данный подход позволил разрабатывать и обосновывать природоохранные мероприятия не для каждого родника индивидуально, а для группы родников, сходных по набору характеристик.
Для разработки геоинформационной системы, отражающей геоэкологические особенности участков территорий ПП «Кумысная поляна» с родниками, необходимо было предварительно подобрать методы математического моделирования геоморфологической структуры и рельефа района исследований. Использование созданных математических моделей позволило произвести комплексный геоинформационный анализ, включая триангуляционное и матричноепредставление конкретного участка исследуемого рельефа ПП «Кумысная поляна». Моделирование движения водных потоков, питающих родники, по водоносным слоям проводилось с использованием 3D представления водоносных горизонтов в недрах исследуемой территории Разработанные методологические подходы к применению IT и ГИС при исследовании территории родников ПП «Кумысная поляна» позволили также смоделировать процессы фильтрации атмосферных осадков (снег, дождь) и проникновения загрязнений в родники. Полученные результаты позволили теоретически обосновать генезис родников на исследуемой территории и схожесть механизмов фильтрации атмосферных осадков, а также сделать заключение о единстве химического состава родниковых вод при отсутствии антропогенных воздействий. Полученные данные были использованы при последующей разработке структуры базы данных для экологического мониторинга родников.
Анализ документов, регламентирующих экологическую паспортизацию родников, показал, что в Российской Федерации на настоящий момент нет единого нормативного документа, определяющего ее порядок. Это, в свою очередь, затрудняет представление данных и проведение мониторинга. Однако рядом автором приведены основные положения для составления экологического паспорта родников (Орлов, 2003; Петин, 2009; Муравьев, 2010), учитывающие геологические особенности прилегающей территории, гидрологические, органолептические и гидрохимические особенности источника, а также характеристику каптажа и его санитарно-техническое состояние, ландшафтную ценность пейзажа и т.п. Мы провели детальный анализ всех определяемых и рекомендуемых к определению показателей при экологическом мониторинге родников. На основании этого анализа была принята группа показателей экологического состояния, которые необходимо заносить в паспорт родников.
Для компьютерного представления экологического состояния родников нами была разработана реляционная база данных, в основу которой была положена объектно-ориентированная информационная модель, отражающая как сами родники и их состояние, так и процедуры и результаты их обследования. Данные исследования родников были представлены в БД в форме цепочки: родник проба образец исследование отчёт и отражены в таблицах связей. На основании БД разработана ГИС, позволяющая хранить данные, решать задачи комплексной характеристики качества воды, проводить анализ путей поступления загрязняющих веществ и наглядно отображать состояние родников.Создана база данных для хранения результатов экологического мониторинга родников стала информационной основой для выработки рекомендаций по рациональному использованию каждой выделенной группы родников в пределах родниковой системы ПП «Кумысная поляна» г. Саратова.
На основании проведенного нами экологического мониторинга, кластерного анализа, а также математического моделирования была обоснована необходимость усовершенствования паспортизации родников и проведение обустройства прилегающих территорий.Предложенные методические подходы с использованием IT и ГИС могут быть востребованы при создании экспертной системы, отображающей полную и точную информацию об экологическом состоянии родников; адекватной оценке экологических рисков, а также при мониторинге состояния родников на фоне различных внешних воздействий, в том числе и антропогенного характера.
