Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Применение кондуктометрических методов для мониторинга озера Байкал

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат диссертации по теме "Применение кондуктометрических методов для мониторинга озера Байкал"

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ГЕОГРАФИИ

На правах рукописи

ХРОМЕШКИН Валерий Михайлович

ПРИМЕНЕНИЕ КОНДУКТОМЕТРИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ДЛЯ МОНИТОРИНГА ОЗЕРА БАЙКАЛ

11.00.11 - Охрана природы, рациональное использование природных ресурсов

1 1.00.07 - Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Иркутск 1994 г.

Работа выполнялась в Лимнологическом институте СО РАН, Байкальском экологическом музее и Отделе экологических исследований Прибайкалья Иркутского научного центра СО РАН

Научные консультанты: академик Г.И.Галазий

доктор географических наук, профессор В.А.Снытко

Официальные опоненты: доктор географических наук

В.Е.Викулов

доктор геограических наук Л.М.Корытный

Ведущая организация - Иркутский государственный

университет

Защита состоится 8 декабря 19Э4 г. в 13-00 часов на заседании диссертационного совета Д-002.60.01 по присуждению ученой степени доктора географических наук в Институте географии по адресу: 664033, Иркутск, ул.Уланбаторская.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке

Института.

Отзывы на автореферате двух экземплярах просьба направлять по указанному адресу ученому секретарю совета.

Автореферат разослан 4 ноября 1994 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета, кандидат географических наук

Л.А.Турушина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Разработка научных основ комплексного мо-ниоринга природы байкальского региона является одним из приоритетных направлений научных исследований в области экологии. Разработанные ранее основные принципы построения системы мониторинга Байкала (Израэль, Анохин; 1991) указывают на необходимость комплексного (ззаимосбалансирозаннного) рассмотрения системы наблюдений, вопросов обработки и анализа результатов с целью использования их для оценки и прогнозирования состояния природной среды. Неотьемлемыми считаются такие признаки системы мониторинга, а следовательно и отдельных ее составляющих, как оперативность, достоверность, непрерывность и достаточность.

В диссертации показано, что именно этим требованиям, а также задачам повышения эффективности и производительности труда научных исследований, соотзетстзуют разработанные и используемые, кондуктометрические методы.

Предложенные подходы указывают на возможность значительного расширения круга задач, традиционно решаемых с помощью кондуктометрии.

Цель работы. Определение роли и места кондуктометриеских исследований при мониторинге озера Байкал.

Главные задачи - выполнить систематическое описание кондук-тометрических методов и показать возможности их использования в качестве методологической подсистемы экологического мониторинга Байкала,- дать общую характеристику озерных водных масс с позиций кондуктометрии; оценить влияние на водоем промышленных сбросовых вод байкальского целлюлозно-бумажного комбината /БЦБК/; исследовать возможность повышения производительности и эффективности кондуктометрического контроля за зоной влияния БЦБК.

Научная новизна. Впервые на Байкале были начаты исследования кондуктивных неоднородностей непосредственно в водной толще. Показаны возможности и определены перспективы электрических измерений при решении мониторинговых задач; выявлены физические и биологические предпосылки применимости кондуктометри-

ческих методов в байкальских исследованиях; получены данные о трехмерной кондуктивной структуре вод озера, структуре и динамике крупномасштабных кондуктивных неоднородностей деятельного слоя пелагиали ; определены масштабы и эволюция локальных кондуктивных неоднородностей в окрестностях источников поступления в водоем сбросовых промышленных и речных вод; указаны пути создания новых электрометрических методов и приборов для использования в системе наблюдений за состоянием природной среды: кондуктометри-ческих счетчиков пресноводного зоопланктона, многоэлектродных электрометрических устройств для исследования аккумулятивно-эрозионных процессов в водоемах и контроля за зоной влияния промышленных сбросовых вод БЦБК.

На защиту выносятся: теоретические и методические вопросы применения кондуктометрических методов для экологического мониторинга; результаты их использования на озере Байкал.

Практическая ценность. Заключается в выработке вариантов повышения эффективности работ по охране природы, контролю за состоянием экосистемы Байкала и оценке ее реакции на негативные внешние воздействия. Предложенные методики, рассчитанные и апробированные макеты измерительных устройств обладают высокой оперативностью при сборе информации, быстродействием и при всей своей простоте, позволяют осуществлять непрерывный мониторинг структурных параметров локальных кондуктивных неоднородностей вод озера.

Апробация работы и публикации. Основные результаты и положения докладывались на трех Всесоюзных лимнологических совещаниях /Иркутск 1997, 1981, 1985/, У Всесоюзном симпозиуме "История озер СССР в позднем кайнозое" /Иркутск 1979/, Республиканском совещании "Проблемы экологии Прибайкалья" /Иркутск 1979/, Совещании по выработке концепции лимнологического приборостроения /Ленинград 1989/, У1 Всесоюзной Байкальской школе-семинаре "Проблемы мониторинга, оценки и прогнозорования состояния окружающей природной среды в бассейне озера Байкал" /Байкальск 1989/, международном совещании "Байкал - природная лаборатория для изучения глобальных изменений окружающей среды и климата" /Иркутск 1994/.

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 6 публикациях.

Структура и обьем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Изложена на 207 страницах ( из них 44 рисунка, 17 приложений).

Автор считает своим приятным.долгом выразить глубокую признательность Г.И.Галазию.В.А.Снытко, Е.В.Керберу и А.Н.Кокорезу за неоценимую помощь на заключительной стадии диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ

I. Современное состояние организации системы мониторинга бассейна оз. Байкал свидетельствует о необходимости совершенствования его структуры на всех уровнях. В качестзе развивающейся методологии е с ко й подсистем ы мож н о_ Р а сс м а т р и в ать кондуктоме т-рический мониторинг экологических компонентов экосистемы Байкала.

Азтором выявлены естественно-научные предпосылки применимости кондуктометрии для мониторинговых исследований, основывающиеся на теории и практике классической электрометрии, а также океанологии и гидрологии, и следующие из обьективно существующих кондуктизных неоднородностей а структуре абиотических и биотических составляющих геосистем.

С позиций мониторинга, упомянутые неоднородности проявляются з различиях величин электрической проводимости контролируемого обьекта и окружающей среды а также в изменениях электропроводности обьекта под действием внешних факторов (естественных и антропогенных), выводящих его из состояния равновесия.

На основании анализа данных многолетних натурных исследований на озере Байкал установлены различия в электропроводности следующих природных сред.

Показатели Электропроводность, мкСм/см

В о д н Верхние слои пелагиали Байкала Реки, впадающие в озеро Минеральные источники Вода из озерного льда Вода из снежного покрова озера Дождевые воды Хозяйственно-бытовые и промышленные стоки О с а д о ч Влекомые наносы Гидр Г амарусы Эпишура Н а з е м н Хвоя ели Хвоя сосны а я среда 90- 115 15 - 400 292 - 603 3 - 202 7-577 10- 20 220- 1180 ные породы 50-80 3 о б и о н т ы 138-182 128 - 132 si е растения 40- 44 130- 143

Выявленные различия указывают на существования кондуктивных неоднородностей в основных экологических компонентах, обеспечивающих круговорот вещества и энергии а водоеме.

В связи с тем, что многие природные среды имеют неоднородный состав и сложную конфигурацию, оказалось возможным фундаментальное электрометрическое понятие об эффективном электрическом сопротивлении земной коры распространить на обьекты, представляющие интерес для экологического мониторинга и сформулировать цели кондуктометрического мониторинга экологических компонентов экосистемы озера Байкал (эти цели могут быть

достигнуты и на иных пресноводных водоемах].

1. Иследование источников, масштабов и структуры кондуктив-ных неоднородностей природных сред.

2. Выявление их изменчивости и динамики под воздействием экологических факторов.

3. Оценка антропогенного влияния на контролируемые экологические компоненты (интерпретация кондуктометрических наблюдений с привлечением данных сопутствующих экологических исследований).

4. Предсказание возможного состояния основных экологических компонентов (создание достаточно адекватных моделей реально существующих кондуктизных неоднородностей природных сред, решение прямых задач с использованием моделий известного класса локальных неоднородностей, использование специальных методов экологического прогнозс-розаниа на основе данных непрерывного кондуктометрического мониторинга).

Подсистему кондуктометрического мониторинга можно охарактеризовать как раззизающуюся (такую когда вслед за формулировкой мониторинговой задачи возможно подобрать достаточно адекватные методы ее оешения. не зыходя за рамки подсистемы). Примером этого может служить классификация задач, выполненная на основе общей структуры организации системы экологического мониторинга Байкала.

1. Мониторинг природных сред (фоновый!

1.1. Измерение электропроводности атмосферных осадков (снегового и ледового покровов) на реперных разрезах в котловине Байкала и в регионе.

1.2. Измерение электропроводности в глубинной зоне озера контрольных водотоках, не подвергающихся прямому антропогенному воздействию.

1.3. Картирование электропроводности байкальского дна (измерение электропроводности в поверхностном слое донных отложений).

1.4. Измерение электропроводности эндемичных видов байкальских гидробионтов, а также древесных растений на тестовых участках побережья и в регионе.

2. Мониторинг источников загрязнений и реакции сред на загрязнение

2.1. Электрометрический контроль источников водных загрязнений (р.Селенга, промстоки Байкальского ЦБК и др.)

2.2. Измерение электропроводности природных сред в окрестности источников загрязнений:

а. определение масштабов водных загрязнений и их концентрации в водоеме на основе электрометрических измерений;

б. электрометрический контроль за динамикой зон загрязнения акватории в районах прямого антропогенного влияния;

в. электрометрический контроль за состоянием популяции доминантных видов биоты (определение возрастной структуры и оценка числа погибших гидробионтов в районе влияния промстоков БЦБК, на Селенгинском мелководье, северной оконечности озера);

г. измерение электропроводности древесных растений (прежде всего хвои и листьев), находящихся под воздействием дымовых выбросов промышленных предприятий.

3. Мониторинг специализированнный

3.1. Дешифрирование информации, полученной методами дистанционного зондирвания с помощью данных полигонных электрометрических измерений.

3.2. Контроль за размывом и заносом гидротехнических сооружений.

3.3. Электрометрический контроль за аккумуляционно-эрозионными процессами в озере и в водотоках.

II. В основу организации системы мониторинга байкальских водных масс целесообразно положить кондуктометрическое картирование акватории озера . Кондуктометрические сьемки позволяют выявлять крупномасштабные кондуктивные неоднородности водоема и исследовать их структуру и динамику под действием экологических факторов.

На основании концепции исследования динамики вод в озере, впервые сформулированной Г.Ю.Верещагиным (1936), учении о водных массах пресноводных водоемов Н.В.Буторина (1967) показано, что

электропроводность является одной из наиболее консервативных и репрезентативных характеристик вод озера Байкал.

Кондуктометрические измерения выполненные по стандарной методике, а также с помощью специально изготовленной аппаратуры позволили установить, что на стыке Южного и Среднего Байкала, в районе Селенгинского мелководья, в приповерхностном слое еод присутствуют крупномасштабные кондуктивные неоднородности, обусловленные влиянием р.Селенги. Влияние речных вод, которые были оконтурены 20%-ной изолинией превышения электропроводности над фоновыми величинами, прослеживается на расстояниях 20 км от дельты вдоль берега и на 5 - 7 км в озеро. Учитывая, что протяженность дельты вдоль береговой линии около 60 км, площадь указанных неоднородностей составляет не менее 500-700 км . Аналогичные водные неоднородности обнаруживаются в приповерхностном водном слое акватории з районе г. Байкальска и у северной оконечности озера, где, в отличие от первых двух районов, кондуктивные неоднородности выражены в гораздо меньшей степени ¡оконтуривались 3%-ной изолинией) и характеризуются электропроводностью пониженной по отношению к фону. Отдельные неоднородности представляли собой вихревые структуры закрученные против часовой стрелки. Был обнаружен вихрь длиной до 40 км и поперечным сечением 2-6 км.

Вертикальная кондуктивная структура открытых районов Байкала такова, что приведенная электропроводность в верхнем 300-500 метровом водном слое изменяется на 4-6% по отношению с 500-1000 метровыми глубинами где наиболее выраженая вертикальная однородность электропроводности. На глубинах более 1000 м и до дна обнаруживается увеличение приведенной электропроводности на 2- 3% по отношению к зоне средних глубин. Вцелом, кондуктивная структура озер-.чsix вод по вертикали обнаруживает определенное соответствие с динамической моделью байкальских водных масс В.А.Толмачева (1957) и с данными гидрооптических наблюдений П.П.Шерстянкина (1970).

Распределение приведенной электропроводности деятельного слоя озерных вод (от поверхности до глубин 100 м! существенно неоднородно (рис.11. Наиболее кондуктивно неоднороден Южный Байкал (зарегистрированы различия электропроводности в 22% и более от наименьших величин электропроводности в озере, в период проведе-

70 30 110

Схема станций

1. Телеграфный- Ш.Жеглай

2. р. Маритуй - р. Солзан

3. м. Березовый - п.Танхой

4. м.Кр.Яр. - пр Харауз

5. м.Ухан - р.Турка

6. Покойники- Ушканьи

7. м.Елохин - п. Давша

8. Байкальское-Турали

Температуре, °С

-----Проводимость, мкСм/см

Проводимость

18 °С,мкСм/см

Рис.1 Вертикальное распределение

электропроводности и температуры в деятельном слое пелагиали Байкала (по съемке 26.08.-05.09.82)

ния отдельной сьемки). Более кондуктивно однородным выглядит Средний Байкал. Здесь воды с электропроводностью (от 5.5 до 16,5%| составляют менее половины исследованного водного слоя, значительную часть которого занимают наименее электропроводные воды с малой минерализацией. Северный Байкал относительно кондуктивно однороден. Его зоды характеризуются наименьшими величинами приведенной электропроводности (до 5.5% превышения над минимальными за период сьемки величинами!, практически зо зсем исследованном слое (лишь узкий, 2-4 м, приповерхностный водный слой обладает электропроводностью на 5,5 -11% превышающей ее минимальные величины).

Наиболее характерные особенности кондуктивной структуры деятельного слоя пелагиали Байкала заключаются в наличии двух зон с повышенной электропроводностью з райнах, прилегающих к Селенгин-скому мелководью и к промышленной зоне южной оконечности озера общей площадью з пределах нескольких тысяч квадратных километров (рис.2). Далее следует обширная водная масса, занимающая центральную часть водоема с промежуточной величиной электропроводности (размерами превышающими размеры одной из байкальских котловин) и, наконец, наименее минерализованная и достаточно однородная зсдная масса с относительно небольшой электропроводностью (с ра змее а ми з пседелах сезерной котловины)

Относительно динамики выявленных неоднородностей можно отметить. что наиболее изменчивы кондуктивные неоднородности литорали и деятельного слоя пелагиали Байкала. Установлено, что структура зон локализации селенгинских зод з озере Байкал является весьма динамичной, зависит от синоптической обстановки (длительности и. направления ветра) и крупномасштабных перемещений байкальских водных масс. Характерное время перестройки кондуктивной структуры зод на Селенгинском мелководье (при изменении ветровых условий) в пределах суток. В езязи с сезонными изменениями в плотности, изменяется глубина распространения в водоеме речных и промышленных сбросовых вод, что установлено расчетами и прямыми кондуктомет-рическими измерениями.

Если рассматривать вопрос стабильности вертикальной кондуктивной структуры глубинной зоны озера, то следует отметить, что на

а.

запад 1 км -запад 5 км" середина■ восток5 км-восток 1 км ■

I I I V V VI VI VI к х я

г-| 114.

- 118.

Я? 122.

1 126.

130.

аэ, мкСм/см

запад 1 км запад 5 км середина восток 5 км восток 1 км

г-| 90.

- 100.

110.

1 120.

130.

ае. мкСм/см

I Солзан-Маритуй

II Березовый-Танхой

III Песчаная- Боярский

IV Краен.Яр- Харауз

V Анга-Сухая

VI Ухан- Турка

VII Покойнки-Ушканьи

VIII Елохин-Давша

IX Котельник.-Шигнанда

X Байкальское-Турали

XI Тыя- Немнянка

Рис. 2. Распределение приведенной электропроводности И по

акватории озера Байкал по данным сьемок : 14.08-28.08.80 (а), 29.10-10.11.80 (б).

глубинах более 1000 м, кондуктивная структура абиссали обнаруживает существенную изменчивость. Так в августе 1985 г., в Среднем Байкале в зоне максимальных глубин, наблюдалось характерное (в рамках динамической модели ВАТолмачева) увеличение электропроводности в слое 1000 м - дно на 2-3%, в то время как при наблюдениях со льда, в Южном Байкале у м.Половинный, указанные неоднородности нельзя было назвать достаточно ясно выраженными.

Значительно более изменчив верхний 100-метровый слой вод пелагиали. Здесь могут обнаруживаться прослои вод с различной электропроводностью (вследствие влияния речных, дождевых и других вод с различной минерализацией). Мощность этих прослоек и характерное время существования весьма варьируют (от нескольких десятков сантиметров и секунд до нескольких метров и часов). В подледный период, в слое 50-100 м наблюдается инверсное распределение электропроводности, находящееся в соответствии с сезонным инверсным распределением температуры байкальских вод в зимний период, а на глубинах 100-200 м, слой вторичного максимума электропроводности, соответствующий сезонному мезотермическому максимуму.

Динамика наиболее крупномасштабных ( по А.С.Монину, 1974), кондуктивных неоднородностей деятельного слоя пелагиали, сравнимых с котловинами Байкала, повидимому, такова, что перестройка отдельных структурных элементов происходит в контактных зонах под воздействием синоптических процессов, а наиболее характерные, основные структурные особенности имеют сезонный масштаб изменчивости.

Одной из главных задач мониторинга является оценка антропогенного влияния на исследуемые экологические компоненты. Проведенные исследования позволили установить существование в прибрежной зоне Южного Байкала кондуктивных неоднородностей значительных масштабов, обусловленных прямым антропогеннных влиянием (БЦБК).

Для аналогичной оценки пелагиали, за точку отсчета был взят небольшой массив измерений электропроводности проб воды, отобранных 8 различных точках водоема ¡до глубин 175 м) П.Ф. Бочкаревым и К.К.Вотинцевым в 1938-1939 гг., т.е. до строительства Иркутской ГЭС

и Байкальского ЦБК. Статистические характеристики этого массива таковы: отклонение максимального и минимального значения от среднего ±6%, превышение максимума над минимумом 1 3%, среднее квадратичное отклонение - 3,32 мкСм/см. Статистические характеристики, полученные нами в результате одной из проведенных в 1980 г. сьемок ¡отобранной для сравнения по максимальной однородности данных) выглядят следующим образом: отклонение максимального и минимального значений от среднего не менее ±1 1%. превышение максимума над минимумом 27%, среднее квадратичное отклонение -57 мкСм/см. Из сравнения этих данных просматривается тенденция возрастания кондуктивной неоднородности деятельного слоя байкальских вод, что свидетельствует об адекватном возрастании неоднородности минерализационной.

Таким образом, на основании наблюдений, выполненных в период 1976-1988 гг. установлена трехмерная кондуктизная структура озера Байкал и выявлен ряд ее характерных особенностей. 3 целом можно заключить что организовывать систему мониторинга байкальских водных масс целесообразно с учетом распределения и динамики кондуктизных неоднородностей водоема.

Ill Промышленные сбросовые воды Байкальского целлюлозно-бумажного комбината являются причиной зсзпикнозениз и су'иестзо-зания кондуктизных неоднородностей участка акватории озера у южной части восточного побережья. Кондуктометоические исследования позволили установить зону злияния комбината и выявить характерные особенности ее структуры и динамики.

Электрометрические исследования распределения промстоков в

окресности БЦБК начаты автором в 1976 г. и выполнялись на конт-

2

рольном участке акватории площадью 100 км .

»»

На первом этапе были выполнены измерения электропроводности сбросовых вод комбината, поступающих в Байкал из пруда-аэратора, рек центральной и южной частей восточного побережья (на участке между pp. Безымянная и Снежная), а также многочисленных проб озерных вод отбираемых на различных глубинах и на значительном удалении от БЦБК.

По данным, полученным в 1977-1980 гг., было установлено, что

дельная электрическая проводимость промстока БЦБК варьирует в ависимости от производственного цикла и составляет Ю09±1 35 кСм/см, а вод рек и ручьев впадающих в озеро, в обследованном |Зйоне, находится в пределах 70,3±19,7 мкСм/см. При этом удельная лектропроводность чистых озерных вод в Южном Байкале, измерен-ая при помощи той же самой аппаратуры, составляла 98,6+3,1 1кСм/см. Отсюда следовал вывод: наличие промстоков комбината а >зере Байкал возможно определить по повышенным по сравнению с зоном величинам удельной электрической проводимости.

Была установлена экспериментальная зависимость между удель-ой электрической проводимостью байкальской воды и процентным удержанием в ней промышленных сбросовых вод комбината. В этих 'кспериментах использовалась чистая байкальская вода и прометок >ЦБК последней степени очистки, отобранный из прудэ-аэраторэ. Для |риготовления растворов с определенной концентрацией эти исход-1ые компоненты смешивались в заданных обьемных пропорциях. Тодобные экспериментальные зависимости использовались для градуировки используемой аппаратуры 8 периоды каждой отдельной :ьемки, что в конечном итоге позволяло оценивать концентрацию 1ромстока комбината в водной толще по результатам кондуктометри-<еских измерений.

Проведенные исследования района БЦБК свидетельствуют о нз-\ичии кондуктивных неоднородностей озерных вод, обусловленных ¡лиянием промстоков, которые, как известно, оказывают отрицатель-юе влияние на экосистему Байкала. Если сброс промышленных вод ^постановлен (например, при профилактике производства) кондук-гивные неоднородности рассасываются в течение нескольких часов, и структура поля электропроводности в этом районе практически не отличается от таковой в прибрежных участках других районов Южного □айкала.

Анализ картин взаимодействия промстоков в водоеме (полученных в период отдельных сьемок) позволил сделать вывод о наиболее общих закономерностях этого процесса, в частности, об его диффузионном и интрузионном характере.

Было обнаружено, что влияние сточных вод комбината с концентрациями до 0,2% сказывается на расстояниях до 7 км к западу, 8 км к

востоку и 5 км в озеро (считая от места их сброса) или на площади около 40 км Наиболее значительные концентрации промстоков (до 100-кратного разбавления), как правило, обнаруживаются на относительно небольшой площади, непосредственно прилегающей к коллектору водосброса комбината (обозначеной на рис.3 более плотной штриховкой). В пределах указанной области, промстоки с концентрацией 1-5% представляют собой "факел" сбросовых вод, направление которого существенно зависит от направления движения байкальских водных масс,

В период усиления ветровой активности происходит интесиеное перемешивание и концентрация промстокз 8 пределах "факела" спадает довольно быстро (на расстояниях 0,5-1 км от места сброса переходит в диффузионный фон с концентрациями 0,2% и менее). Стратификации промстоков в факеле, в такие периоды, не наблюдается, переходная зона, в которой происходит наиболее интенсивное перемешивание, невелика.

В штилевую погоду промстоки с концентрациями около 0,2-1% распространяются в верхнем 30-метровом водном слое на более значительные расстояния, до нескольких километров вдоль берега. Это распростанение происходит в виде отдельных интрузий перемежающихся с прослойками чистой байкальской воды.

В подледный период характер проникновения промстоков з водоем в значительной степени интрузионный. Кондуктивные интрузии содержат более высокие концентрации сточных вод, чем в навигационный период (до 10% вблизи труб коллектора), их мощность достигает 15-20 м, вертикальные градиенты составляют до 15 мкСм/см/м, и распространяются они на более глубоких горизонтах (до 50-30 м). Соответственно, значительно более замедленно происходит их трансформация в диффузионный фон.

Показано, что кондуктометрические измерения позволяют определять зону влияния промстоков на озеро Байкал, ее масштабы и временную изменчивость, что указывает на целесообразность их использования в системе импактного мониторинга БЦБК.

IV. Система наблюдений импактного ^рндукюметрическо^мо; ниторинга БЦБК может быть существенно усовершенствована. С этой

Рис. 3. Распределение промстоков в районе БЦБК в навигационный период по данным съемок электропроводности от 30.09.80 г. и 22.08.81 г.

целью предлагается использовать модифицированные электроразведочные установки, которые позволяют осуществлять непрерывный мониторинг параметров зоны влияния комбината в окрестности сброса промышленных год.

Выше было показано, что одним из возможных путей эффективного контроля за состоянием и динамикой "факела" сточных вод являются электрометрические измерения. Однако, как показала практика осуществлять подобный контроль удается далеко не всегда (например, из-за плохих погодных условий, а период ледостава, по техническим причинам и т.п.). Кроме того, реальные временные затраты на выполнение сьемок (с учетом времени на перемещения от станции к станции и проведение подготовительных операций) примерно на порядок превышают время измерений на станциях и таковы, что выполнить более 30-40 станций за световой день представляется весьма затруднительным.

Целью дальнейшего усовершенствования кондуктометрической системы наблюдений импактного мониторинга БЦБК является повышение оператизновности кондуктометрических сьемок с переходом к ззсиантам непрерывного мониторинга на основе стационарных измерительных установок. Проработка подобных вариантов была выполнена в 1985- 1988 гг. группой сотрудников ТОЙ ДВО под руководством Ю.Б.Шауба, при непосредственном участии автора.

Рассмотренные подходы базировались на использовании различных типов электрометрических многоэлектродных датчиков и регистрирующих устройств, известных из электроразведки, в которых цепи возбуждения электромагнитного поля отделены от измерительных цепей. Такая аппаратура обладала пороговой чувствительностью в 001% и более. При этом измерения выполнялись не в "точке", где сильно влияние случайной составляющей, а с усредннием по всему обьему зоны действия измерительного устройства, размеры которой определялись мак-симальным разносом электродов.

Сначала было показано (Шауб и др., 1990!, что один кабельный датчик, помещенный на дно озера, и четырехканальное измерительное устройство позволяют непрерывно получать текущую информацию о проходящем процессе загрязнения по вариациям количества и концентрации сбрасываемых в водоем промстоков, которые пропорцио-

нальны измеряемым вариациям удельных эффективных сопротивлений исследуемых водных масс.

После расчета технических параметров этой установки (разносам электродов которой придавались значения 50,100 и 200 м) применительно к условиям, существующим в Байкале у БЦБК (диапазон глубин 50, 100 и 200 м,- электрическое сопротивления дна 200, 500 и 1000 Ом*м; электрическое сопротивление чистой байкальской воды 100 Ом*м и промстока 10 Ом*м! оказалось, что ее чувствительность вполне достаточна для регистрации сточных промышленных вод с концентрациями до 0,5-0,1% (что соответствует приращениям удельных сопротивлений а 0,1-0,01%!. Влияние электрического сопротивления дна является постоянным фактором, независящим от времени, который на результатах измерений практически не сказывается.

Оптимальная рабочая частота для такого устройства в байкальской воде составляет 50 Гц, сила возбуждающего тока от 0,2 до 1 А, мощность генераторной группы от 20 до 100 ВА, что является технически вполне достижимым.

На следующих этапах работы были рассмотрены более сложные вопросы контроля за процессом загрязнения. В частности, случаи, когда более теплые сбросовые промышленные воды БЦБК всплывают и распространяются, перемешиваясь, главным образом, с верхними слоями озерных вод. Для контроля за стратификацией, а также за изменениями направления сноса "факела" промстоков относительно точки сброса были предложены электрические измерительные установки, вертикальные и векторные . Рассмотрены варианты конфигурации и оценены технические характеристики, определяющие возможность их использования в условиях Байкала. Опробованы возможности измерителей пульсаций при "оценке интенсивности процессов перемешивания промышленных и озерных вод.

Практические возможности установок показаны на малых масштабах в устье небольшого ручья, впадающего в озеро недалеко от истока р.Ангары. Анализ полученных данных свидетельствует о том, что предложенные методы и средства кондуктометрического мониторинга байкальских вод работоспособны и обеспечивают решение поставленных задач.

В заключении представлены наиболее значимые результаты

проделанной работы.

1. Указаны естественно-научные предпосылки (теория и практика классической электрометрии, всеобщий характер существования кон-дуктивных неоднородностей природных сред! свидетельствующие о возможности рассмотрения кондуктометрических методов в качестве методологической подсистемы экологического мониторинга оз.Байкал.

2. Сформулированы цели кондуктометрического мониторинга, главные из которых - нахождение кондуктивных неоднородностей контролируемых обьектов, исследование их структуры и динамики под влиянием антропогенных воздействий.

3. Дана кондуктометрическая характеристика крупного аквало-ного поиродного комплекса - Байкала и установлена трехмерная кондуктивная структура его вод. В частности, обнаружено, что в центральных районах озера, до глубин в 300-500 м, электропроводность может на 4-6% изменяться по сравнению с глубинами 500-1000 м, где наблюдается относительная однородность ее вертикального распределения а на глубинах более 1000 м возможно увеличение электропроводности на 2-3% по отношению к зоне средних глубин.

Установлено, что наибольшая неоднородность и изменчивость электропроводности наблюдается в следующих районах литорали: Селенгинском мелководье, северной оконечности озера, зоне БЦБК и в деятельном слое пелагиали.

В пелагиали Южного Байкала, по сравнению с остальной частью озера, отмечается повышение электропроводности на 22% и более, считая от наименьших величин, зарегистрированных в период проведения отдельной сьемки. В Среднем Байкале степень кондуктивной неоднородности более низкая (до 16,5%). Северный Байкал еще более кондуктивно однороден, его воды наименее злектропроводны (неоднородность не превышает 5,5%).

Наиболее характерные особенности кондуктивной структуры деятельного слоя пелагиали Байкала заключаются в существовании двух неперекрывающихся зон с повышенной электропроводностью (в районах Селенгинского мелководья и БЦБК) общей площадью в несколько тысяч квадратных километров и двух обширных водных масс (размеры которых сравнимы с размерами вмещающих их байкальских котло-

вин| с промежуточной и относительно небольшой величиной электропроводности.

4. Исследован водообмен промышленных сбросовых вод Байкальского целлюлозно-бумажного комбината с водами озера. Обнаружен интрузионный и диффузионный характер проникновения промстоков в водоем. На основании кондуктометрических измерений, установлено, что влияние сточных вод БЦБК с концентрациями до 0,2% сказывается на расстояниях до 7 км к западу, 8 км к востоку и 5 км в озеро, считая от места сброса, или на площади около 40 км2

5. Даны предложения и рассмотрены варианты повышения эффективности импактного мониторинга зоны влияния БЦБК с помощью многоэлектродных кондуктометрических устройств. Расчетами выполненными для условий Байкала показано, что донные кабельные датчики, известные из практики электроразведки, позволяют осуществлять непрерывный мониторинг параметров "факела" промстоков с концентрациями от 0,5 до 0,1 % . Натурные испытания выполненные на малых масштабах подтвердили работоспособность предложенных устройств.

ПУБЛИКАЦИИ

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Опыт автоматической регистрации удельной электрической проводимости и температуры озера Байкал // География и природные ресурсы.- 1980,- N4, с. 143-148. (соавт. Аверин А.И.).

2. Электрофизический метод изучения крупномасштабных динамических процессов в оз.Байкал // Информационная основа прогноза природных процессов. - Новосибирск:Наука.-1980, с.62-67. (соавт. Коржов Н.П.).

3. О применении электропроводности для выделения речных вод в озере Байкал // Тр. 3-го Всесоюзн. лимнол. совещ. "Гидрология и климат",- Иркутск,-1977, с.239-243.

4. О выделении водных масс в озере Байкал по данным измерений удельной электрической проводимости // Водные ресурсы,-1986,- N2, с. 181-184.

5. Измерение электропроводности морских и пресноводных

организмов произвольной формы // Докл. АН СССР.-1988,- т.289,- N4, с.980-984 |соавт. Шауб Ю.Б., Деменок В.Н., Шин A.C., Шин С.Н., Ходзе-вич A.B., Галазий С.Г.).

6. Экологический мониторинг загрязнений водоемов методами электроразведки (на примере Байкала) // Геофизический журнал.-1990- т. 1 2.-N 1, с.78-85 (соавт. Шауб Ю.Б., Терентьев С.А., Деменок В.Н., Ходзевич A.B., Шин A.C.).