В Юзевич - Елементи методології вимірювання гідрохімічних характеристик водних екосистем - страница 1

Страницы:
1  2 

ВИМІРЮВАННЯ НЕЕЛЕКТРИЧНИХ ВЕЛИЧИН

УДК 504.75:681.2.543

ЕЛЕМЕНТИ МЕТОДОЛОГІЇ ВИМІРЮВАННЯ ГІДРОХІМІЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК ВОДНИХ ЕКОСИСТЕМ

© Юзевич Володимир, Сопрунюк Петро, Підгірняк Ярослав, 2008

Фізико-механічний інститут ім. Г. В. Карпенка НАН України, вул. Наукова, 5, 79601, Львів, Україна

Запропоновано рекомендації щодо вимірювання гідрохімічних характеристик в озерах Шацького біорезервату на основі серії міжнародних стандартів ISO 14000, ISO/IEC17025 з урахуванням математичної моделі оцінки

параметрів гідрохімічного і водного режимів.

Предложены рекомендации относительно измерений гидрохимических характеристик в озерах Шацкого биорезервата на основе серии международных стандартов ISO 14000, ISO/IEC 17025 с учетом математической модели оценки параметров гидрохимического и водного режимов.

Recommendations concerning measurement of hydrochemical characteristics in lakes of biological Shatsk reserve on the basis of a series of international standards ISO 14000, ISO/IEC 17025 in view of mathematical model of an estimation of parameters of hydrochemical and water modes are offered.

Проблема забруднення водоймищ - одна з ос­новних у життєдіяльності багатьох регіонів України, зокрема екосистем. З урахуванням термодинамічних позицій праці [1] можна дати уточнене визначення екосистеми як основної структурної одиниці екології. Екосистема - це частина об'єктивного світу, яка являє собою сформовану цілісну термодинамічну систему, де відбуваються процеси обміну речовин та енергії, зумовлюючи життєдіяльність, стабільність, а також деградацію організмів рослинного і тваринного похо­дження. Тут істотною є деградація, що відбувається у часі під впливом змін термодинамічних параметрів, зокрема шкідливих речовин, які можуть спричинити загибель екосистеми, під час якої втрачаються зв'язки, які забезпечують інформаційний обмін та поєднання частини екосистеми в єдине ціле.

На цій основі пропонуємо класифікувати еколо­гічні закони на чотири групи, які відповідають таким процесам: 1) спонтанним; 2) неспонтанним; 3) рівно­важним; 4) нерівноважним. Обмежимось розглядом нерівноважних процесів, які проходять у водному середовищі озер Шацького національного природного парку (ШНПП).

Новизна комплексної проблематики у тому, що у цій праці запропоновано елементи серії міжнародних стандартів ISO 14000 і ISO/IEC 17025 застосувати до

сертифікації гідрохімічної лабораторії, в якій визначаються параметри гідрохімічного і водного режимів озер ШНПП. Розглянуто систему визна­чальних приладів, основні гідрохімічні параметри, а також елементи імітаційної математичної моделі, яка описує гідрохімічний і водний режими в акваторії озер

ШНПП.

Зв'язок проблеми з науковими та практич­ними завданнями. Практичне завдання: З ураху­ванням міжнародних стандартів ISO 14000 і ISO/IEC 17025 необхідно дати рекомендації щодо якісного визначення гідрохімічних параметрів, які викорис­товуються для дослідження озер ШНПП.

Наукове завдання. Необхідно удосконалити стан­дарти, інструкції, а також розробити нові методики i засоби моніторингу з метою раціональних експери­ментальних досліджень гідрохімічного і водного режимів озер ШНПП.

Аналіз останніх досліджень і публікацій з цієї проблеми. Варіант класифікації законів екології на основі термодинамічних принципів запропоновано упраці [1]. Елементи методології вимірювання гідро­хімічних параметрів в озерах ШНПП розглядались у звіті [2]. Методики аналізу елементів системи якості лабораторій з урахуванням міжнародних стандартів

ISO 14000 і ISO/IEC 17025 розглядались у працях [3,

4]. Вимірювати параметри гідрохімічного і водного режимів в акваторії ШНПП необхідно відповідно до імітаційної математичної моделі, основи якої за­кладено у посібнику [5].

Виділення не вирішених раніше частин загаль­ної проблеми, котрих стосується стаття.

а) Методики аналізу елементів системи якості гідрохімічної лабораторії (з урахуванням міжнародних стандартів ISO 14000 і ISO/IEC 17025), засобами якої вивчають екологічну обстановку озер ШНПП, раніше не розглядались.

б) Під час розроблення методик експеримен­тальних досліджень у гідрохімічній лабораторії ШНПП недостатньо враховувались моделі водних та гідрохімічних режимів, сформовані на підставі балансових співвідношень.

Метою експериментальних робіт є виконання натурних спостережень за змінами хімічного стану озер засобами екологічної лабораторії, в яку входить гідрохімічна.

Основними завданнями є розроблення нових методик і засобів моніторингу системи озер та експе­риментальні дослідження характеристик середовищ

озер ШНПП.

Об' єкт досліджень - водні екосистеми озер Шацького національного природного парку (ШНПП): Світязь, Люцимир, Перемут, Пісочне, В. Чорне, Пуле-мецьке [2].

У лабораторію екологічного моніторингу ШНПП входять: гідрометеостанція (ГМС), автоматична стан­ція контролю (АСК), стаціонарна гідрохімічна лабораторія (СГХЛ) [2].

Предмет досліджень - гідрохімічні характерис­тики водного середовища озер ШНПП.

Для того, щоб досліджувати нерівноважні про­цеси міграції хімічних елементів, необхідно через пев­ні проміжки часу визначати хімічний склад домішок у водному середовищі озер.

Досліджувані параметри водного середовища [2]: глибина, м;

інтегральні:

питома електропровідність о, мкОм/см; основна похибка вимірювань ±5%;

температура, оС; основна похибка вимірювань 0,1 оС; водневий показник рН, од. рН; основна похибка вимірювань 0,01 рН; селективні:

концентрація таких інгредієнтів у водному середовищі:

нітрати, мг/дм3; основна похибка вимірювань ± 10 %;

хлориди, мг/дм3; основна похибка вимірювань

±5 %;

амоній, мг/дм3; основна похибка вимірювань ± 10 %;

ртуть, мг/дм3; основна похибка вимірювань ± 10 %;

кадмій, мг/дм3; основна похибка вимірювань ± 10 %;

свинець, мг/дм3; основна похибка вимірювань ± 10 %;

мідь, мг/дм3; основна похибка вимірювань ±10 %; марганець, мг/дм3; основна похибка вимірювань ±10 %;

залізо, мг/дм3; основна похибка вимірювань ± 10 %;

цинк, мг/дм3; основна похибка вимірювань ± 10 %;

Відзначимо, що прибережні смуги деяких озер (особливо у літній період) інтенсивно забруднюються різними антропогенними агентами, які чинять негативний вплив на рекреаційні якості водного середовища і доброякісність харчових гідробіонтів. У зв' язку з вищезгаданим необхідні охоронні заходи для недопущення негативних антропогенних ситуацій, які могли б погіршити екологічну обстановку.

Відбір проб на хімічний аналіз здійснювався згідно з вимогами державних стандартів [3] за допомогою батометра Молчанова типу ГР-18 на горизонтах вимірювання температури, на кожній з глибин батометр утримувався три хвилини. Потім він піднімався на поверхню, де за допомогою ртутного термометра визначали температуру води.

На кожній рейдовій вертикалі глибину визначали за допомогою мірного лота [2, 6].

Відібрані проби зберігалися у холодильнику.

Для виконання експериментальних робіт вико­ристовувалися такі основні вимірювальні прилади [2]:

аналізатор типу "Екотест -01", № 4 - вимірювання питомої електропровідності та температури;

атомно-абсорційний спектрометр типу С-115-М1 - вимірювання концентрації ртуті, кадмію, свинцю, міді, марганцю, заліза, цинку;йономір типу И-130М - вимірювання водневого показника рН;

фотоколориметр типу КФК-3 - вимірювання концентрації нітратів та амонію;

батометр Молчанова типу ГР-18 - вимірювання температури проб з глибини;

вимірювання концентрації хлоридів здійсню­валося з використанням титрометричного методу.

На всі вимірювальні прилади оформлено свідоцтва про перевірку робочого засобу вимірю­вальної техніки.

Метрологічне забезпечення експериментальних робіт здійснено з використанням перевірених приладів та відповідних методик виконання вимірювань та опрацювання результатів спостережень [7-19].

Розроблення імітаційної математичної моделі, яка описуватиме міграційні процеси хімічних елементів в озерах, буде ґрунтуватись на осередненні процесів і складанні балансових рівнянь у деякій виділеній області G. Якщо область G доволі велика порівняно з масштабами тих процесів, що в ній відбуваються, і в області G спостерігається значна неоднорідність розподілу значень досліджуваних показників (наприклад, концентрація міді), то у такому разі вся область (ділянка) G розділиться на підобласті G1 (і=1,2,3,...,п) і кожна підобласть G' приймається за окрему "камеру" (реактор) [5]. Зв'язок між цими камерами, як правило, описується через водообмін та масообмін. Внаслідок побудови таких багатокамерних моделей з достатньою для практики точністю можна математично описувати поширення і трансформації речовин у просторі й часі, причому у просторі -дискретно, а в часі - неперервно [5].

Для складання балансових рівнянь і побудови імітаційної математичної моделі гідрохімічного і водного режимів розділимо водний об'єкт на п камер і введемо для кожної і-ї камери (і=1,2,3,...,п) такі змінні й сталі величини [5]:

1) д', c'J - загальна витрата або потік води з і

камери в +і)-шу камеру і концентрація j-ї речовини (хімічних елементів, солей, токсикантів в і-й камері);

2) д1-"1, ci-1,j - потік (витрата) води з (і-І)-ї в і-ту камеру і концентрація в -1)-й камері j-ї речовини;

3) дІ,

потік (витрата) води з k-ї притоки

(каналу) в '-ту камеру і концентрація в ній j-ї речовини, причому k =1,2,3,..., п{;

4) дф, сф - фільтраційна витрата підземних вод і концентрація у них j-ї речовини (солей);

5) д<эП, cjn - кількість (потік) опадів, що ви­падають на водне дзеркало і-ї камери (ділянки) і концентрація у ній j-ї речовини;

6) д'БВ - величина (витрата) беззворотного водо­споживання;

7) д'вш - величина (потік) випаровування з поверхні водного дзеркала (і-1)-ї камери;

8) т'ДН (c'j, с'Дн, t) - кількість (потік) j-ї речовини,

що надходить у і-ту камеру з дна, в якому міститься ця речовина (хімічний елемент, сіль) з концентрацією

9) a', l - стала (константа) швидкості седи­ментації і стала (коефіцієнт) хімічного розпаду;

10) W' (t), w0 - об'єм і-ї камери (водної товщі і

ділянки водоймища) у момент часу t і початковий момент t = t0;

11) F'J (c'J,c'(,B ,t) - величина (функція), що вра­ховує масообмін j-ї речовини з водним середовищем і-ї камери;

12) t - час у добах (або у місяцях, сезонах).

Відповідно до законів збереження маси j-ї речо­вини із урахуванням законів кінетики перетворення (трансформації) j-ї речовини запишемо диферен­ціальне рівняння типу РРНР у такому вигляді:

M k=1

_ Fij (cj,c'ГБ,t),   i = 1,2,3,..., n ,

(1)

де масу j-ї речовини можна виразити через об'єм води і концентрацію у ній цієї речовини:

+

I

+ Z qk + дФ + дОс _ д1 _ дБВ _ дВИП k=1

(2)

Ураховуючи останнє співвідношення, рівняння (2) запишемо щодо невідомої концентрації c'J речо­вини, що забруднює воду і-го водного об'єкта:

dcij

1

dt W'

сj (() = с* + 00 _ с* )

expl

1 + gH\ л

(8)

j 1

де

' + дБВ + ]_(aj +1)^ _ f'j(cj,cj

0

= 1,2,3,... , n .

(3)

До виразу (3) необхідно додати рівняння водного балансу щодо і камери:

(4)

За сталих значень д'-1, дф, д[,       , д', дБВ, дВиП

після інтегрування співвідношення (4) одержимо таке рівняння водного балансу:

W' = W0

k=1

БВ ЧВИП

t. (5)

Якщо величини

с1 1,j с сУ с'О,П також сталі

або кусково-сталі, а т'jH = f'j =a'j = 1 = 0, то після інтегрування рівняння (3) отримаємо формулу для визначення концентрації c1J забруднень у такому вигляді:

с'j (() = сj* +(с'0 _ сj*)

W'

W'(t)

(6)

де    дВх = д'_1 + ZдІ + дФ + дОП ;    дВх = д' + дБв +

k=1

+ дВИП ; c'J - значення рівноважної концентрації, що визначається рівністю

с j*

д '-lc'-l'j + дф с +Z діА + дОП 4п + т дн _k=_ (7)

д'_1 + дФ +Z ді + дІОП _ д'ві

Якщо рівень води і-й камері (частині озера) не змінюється або змінюється мало і цією зміною можна знехтувати, то формула визначення концентрації забруднень стає особливо простою і записується для неконсервативної   речовини   (a'J Ф 0; 1 Ф 0) при

fiJ (c'j, cbrE, t) = 0 в такому вигляді:

д '-lc'-lJ + дфсф +Z        + дОП 4п + т Д

ДН

д '-1 + дФ +Z дВ + дОП _ дВиП

k=1 0

(1 + g Н

W

д'-1 + дФ +Z дВ + дІОП _ дВи

(9)

(10)

У приповерхневих областях (камерах) водної системи озер, що контактують з берегами, уведемо узагальнені  умови  спряження  (які  випливають із

балансових співвідношень) і для границі озера LST (що у такому разі є замкнутою кривою лінією) отримаємо за аналогією до праці [20]:

рSdSS /dt = NSi(k +Vt +_ k--Vt_)/TS,

(11)

У співвідношеннях (11) k± - фізичні сталі (кое­фіцієнти теплопровідності); NS. - нормаль до ділянок

питома густина

лінії розділу середовищ LSS ; p S

маси, яка відповідає ділянці (лінійній камері) на границі озера - порядковий номер граничної (лінійної) камери (і = 1,2,... n); у такому разі границя озера LSS розділена на n лінійних відрізків (камер)); T S - температура граничної лінійної камери; Vt+ ,

Vt_ - градієнти температур (t+, t-) ліворуч і праворуч від границі LSS ; c S - концентрації (зокрема, забруднювальних речовин); т - час; J+N, J_N - потоки

домішок ліворуч і праворуч від границі LSS д S -

внутрішні джерела речовин, які можуть виникати за рахунок опадів і підводних джерел у граничних лінійних камерах. Параметр S S - питома ентропія граничної ділянки (спряжений параметр до температури T S ), зміну якої подамо так:

Страницы:
1  2 


Похожие статьи

В Юзевич - Елементи методології вимірювання гідрохімічних характеристик водних екосистем