Введение к работе
Актуальность темы. Недостаточная изученность основных процесів, протекающих внутри водных объектов (так называемых внутриводо-гмных процессов), становится в настоящее время главным источником погрешностей как в работе системы мониторинга поверхностных вод, так и при решении многочисленных водохозяйственных проблем. По этой же причине не получает научно обоснованных ответов ряд теоретических и прикладных вопросов изучения, охраны и рационального использования зодных ресурсов. До сих пор при планировании водоохранных мероприятий из-за недостаточной изученности не учитываются, даже такие важные знутриводоемные процессы, как самоочищение, вторичное загрязнение, їетоксикация и т.п. Специфика внутриводоемных превращений, основными составляющими которых являются гидродинамические и химико-эиологические процессы, заключается в их чрезвычайно сложной органи-іации и индивидуальности. Поэтому большинство исследований такого эода можно проводить только на самом водном объекте, с помощью специальных полевых методов и технических средств. В настоящее время вдним из наиболее эффективных экспериментальных подходов для иссле-гования внутриводоемных процессов, является физическое моделирование з натурных условиях, или как его часто принято называть натурное моде-тирование. Разработка методов и технических средств моделирования в натурных условиях позволит в наиболее ответственных и сложных ситуациях проводить гидродинамические и химико-биологические исследования непосредственно на исследуемом водном объекте, точнее определять іначения важнейших характеристик и параметров, обеспечивая тем самым ювышение информативности и надежности первичной информации о юдном объекте.
Цель работы. Разработка методов и технических средств натурного моделирования основных внутриводоемных процессов, как целостного юдхода, включающего натурное гидродинамическое и химико-шологическое моделирование.
Задачи исследований. Для достижения намеченной цели были по-:тавлены и решены следующие основные задачи:
разработать эффективные гидродинамические трассеры, пригодные для ^пользования в экспериментах на любых типах водных объектов; разработать и апробировать основные методы и технические средства ттурного моделирования гидродинамических процессов с помощью но-1ых трассеров;
- разработать и апробировать основные методы и технические средства проведения натурных химико-биологических экспериментов на водных )бъектах, с учетом критериев подобия.
Предмет исследования - гидродинамические и химико-биологические процессы, протекающие в водных объектах, подвергающихся антропогенному воздействию.
Объектом исследования являются водоемы и водотоки на территории бывшего СССР. Работа выполнена в соответствии с тематикой исследований Гидрохимического института в период 1975-1997гг. В основу исследований положены натурные гидродинамические эксперименты с использованием трассеров и натурное химико-биологическое моделирование в мезокосмах. Для количественной обработки опытных данных использовались стандартные методы математической статистики и пакеты программ для персонального компьютера.
Научная новизна работы:
впервые, используя основные положения теории подобия, разработан целостный подход физического моделирования важнейших внутриводоемных процессов, включающий натурное моделирование гидродинамических и химико-биологических процессов в водных объектах;
впервые теоретически и экспериментально обосновано применение сферических микрочастиц в качестве гидродинамических трассеров, и на этой основе разработан и запатентован новый способ изучения динамических процессов в жидких средах;
разработаны методы и технические средства натурного моделирования гидродинамических процессов в водных объектах на основе использования принципиально нового типа трассеров;
разработаны методы и технические средства натурного моделирования химико-биологических процессов в водных экосистемах с помощью ме-зокосмов на основе критериев подобия;
разработан и запатентован новый способ оценки загрязнения поверхностных вод по показателям структуры фитопланктонного сообщества;
разработан и запатентован метод экспрессного тестирования токсичности водной среды, позволяющий автоматизировать регистрацию острой токсичности природных вод;
разработан и запатентован способ неконтактного определения содержания в воде новых трассеров с борта воздушного судна.
На защиту выносится: обоснование целостного подхода натурного физического моделирования основных внутриводоемных процессов, включающего натурное моделирование гидродинамических и химико-биологических процессов в водных объектах, а также методы и технические средства, реализующие этот подход.
Практическая значимость и реализация результатов работы: на основе разработанных в диссертации методов и технических средств подготовлены и утверждены Федеральной службой РФ по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды следующие методические указания для сети общегосударственной службы наблюдений:
по использованию флуоресцентных трассеров при организации наблюдений за загрязнением поверхностных вод и при оперативном расследовании аварийных ситуаций на водных объектах;
по химико-биологическому моделированию с помощью мезокосмов;
по экспрессному биотестированию загрязнения водных объектов;
по исследованию состояния водных объектов с помощью показателей структуры сообщества фитопланктона;
Разработанные методы и технические средства использовались при выполнении ряда тем ГКНТ СССР, Госкомгидромета СССР, Межправительственных соглашений с зарубежными странами (США, Венгрия), а также при выполнении оперативных заданий Госкомгидромета СССР. Реализация основных положений, выводов и внедрение результатов работы осуществлялись в рамках 20 тем НИР (темы ГКНТ СССР, АН СССР, Госкомгидромета,хоздоговорные темы ГХИ).
Результаты работ внедрены также Московским НПО "Радон", Ставропольским научно-исследовательским и проектным институтом природных газов "СевКавНИПИгаз", Новочеркасской государственной мелиоративной академией и другими организациями. С 1997 года результаты работы используются в лекционных курсах "Охрана окружающей среды при разработке нефтяных и газовых месторождений" и "Экологическая гидрогеология" на кафедре гидрогеологии инженерной и нефтегазовой геологии Ростовского государственного университета.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на 27, 28, 29 Всесоюзных гидрохимических совещаниях в городах Новочеркасске (1978г.) и Ростове-на-Дону (1984, 1987 гг.), на Всесоюзной конференции "Биоиндикация и биотестирование природных вод" (г. Ростов Н/Д, 1986 г.), на международном совещании по проекту N14 МАБ ЮНЕСКО (г. Ташкент, 1978 г.), на международной конференции "Комплексный глобальный мониторинг загрязнения окружающей природной среды" (г. Рига, 1978 г ), на международном симпозиуме "Комплексный глобальный мониторинг состояния биосферы" (г. Ташкент, 1985 г.), на VII Всесоюзном симпозиуме по современным проблемам прогнозирования, контроля качества воды водоемов и озонирования (г. Таллин, 1985 г.), на II Всесоюзной школе по экологической химии водной среды (г. Ереван, 1988 г.), на V Всесоюзном гидрологическом съезде (г. Ленинград, 1986 г.), на Международном симпозиуме "Гидрохимия-93" (г. Ростов-на-Дону, 1993 г.), Международном симпозиуме "Трассеры в гидрологии" (Иокогама, 1993 г.), на Первой Региональной научно-технической конференции "Вузовская наука - Северо-Кавказскому региону"; Секция: "Нефть и газ" (май 1997 г., г. Ставрополь), на Всероссийском совещании "Антропогенное воздействие на природу севера и его экологические последствия" (июнь 1998 г., г. Апатиты).
Автор выражает глубокую благодарность научным руководителям: Д.Г.М.Н., профессору Никанорову A.M. и д.х.н., профессору Каплину В.Т. за неизменное участие и помощь в работе, а также всем сотрудникам экспедиционного отряда по апробации методов натурного экологического моделирования Гидрохимического института, принимавших вместе с автором участие в полевых исследованиях.