Определение концентрации растворенного кислорода в воде — приборы и методы

Определение концентрации растворенного кислорода в воде - приборы и методы Кислород

Приложение а (обязательное)

Таблица
А.1 — Равновесная массовая концентрация растворённого кислорода в
дистиллированной воде в зависимости от температуры (при атмосферном давлении
760 мм рт. ст. и парциальном давлении кислорода 0,209 атм)

Температура, °С

Десятые
доли, °С

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

Равновесная
концентрация, мг/дм3

0

14,62

14,58

14,54

14,50

14,46

14,42

14,38

14,34

14,30

14,26

1

14,22

14,18

14,14

14,10

14,06

14,02

13,98

13,94

13,91

13,87

2

13,83

13,79

13,76

13,72

13,68

13,64

13,61

13,57

13,53

13,50

3

13,46

13,43

13,39

13,35

13,32

13,28

13,25

13,21

13,18

13,14

4

13,11

13,07

13,04

13,01

12,97

12,94

12,90

12,87

12,84

12,80

5

12,77

12,74

12,71

12,67

12,64

12,61

12,58

12,54

12,51

12,48

6

12,45

12,42

12,39

12,35

12,32

12,29

12,26

12,23

12,20

12,17

7

12,14

12,11

12,08

12,05

12,02

11,99

11,96

11,93

11,90

11,87

8

11,84

11,81

11,79

11,76

11,73

11,70

11,67

11,64

11,62

11,59

9

11,56

11,53

11,50

11,48

11,45

11,42

11,40

11,37

11,34

11,31

10

11,29

11,26

11,23

11,21

11,18

11,16

11,13

11,10

11,08

11,05

11

11,03

11,00

10,98

10,95

10,93

10,90

10,88

10,85

10,83

10,80

12

10,78

10,75

10,73

10,70

10,68

10,68

10,63

10,61

10,58

10,56

13

10,54

10,51

10,49

10,47

10,44

10,42

10,40

10,37

10,35

10,33

14

10,31

10,28

10,26

10,24

10,22

10,19

10,17

10,15

10,13

10,11

15

10,08

10,06

10,04

10,02

10,00

9,98

9,95

9,93

9,91

9,89

16

9,87

9,85

9,83

9,81

9,79

9,77

9,75

9,73

9,71

9,69

17

9,66

9,64

9,62

9,60

9,58

9,57

9,55

9,53

9,51

9,49

18

9,47

9,45

9,43

9,41

9,39

9,37

9,35

9,33

9,31

9,30

19

9,28

9,26

9,24

9,22

9,20

9,18

9,17

9,15

9,13

9,11

20

9,09

9,07

9,06

9,04

9,02

9,00

8,99

8,97

8,95

8,93

21

8,92

8,90

8,88

8,86

8,85

8,83

8,81

8,79

8,78

8,76

22

8,74

8,73

8,71

8,69

8,68

8,66

8,64

8,63

8,61

8,59

23

8,58

8,56

8,55

8,53

8,51

8,50

8,48

8,47

8,45

8,43

24

8,42

8,40

8,39

8,37

8,36

8,34

8,32

8,31

8,20

8,28

25

8,26

8,25

8,23

8,22

8,20

8,19

8,17

8,16

8,14

8,13

26

8,11

8,10

8,08

8,07

8,06

8,04

8,03

8,01

8,00

7,98

27

7,97

7,95

7,94

7,93

7,91

7,90

7,88

7,87

7,86

7,84

28

7,83

7,81

7,80

7,79

7,77

7,76

7,75

7,73

7,72

7,70

29

7,69

7,68

7,66

7,65

7,64

7,62

7,61

7,60

7,58

7,57

30

7,56

7,55

7,53

7,52

7,51

7,49

7,48

7,47

7,46

7,44

Растворенный кислород

На содержание растворенного кислорода в воде влияют две группы противоположных процессов. К группе процессов, обогащающих воду кислородом, относятся:

· процесс абсорбции кислорода из атмосферы;

· выделение кислорода водной растительностью;

· поступление дождевых и снеговых вод, пересыщенных кислородом.

К группе процессов, уменьшающих содержание кислорода в воде, относятся реакции потребления его на окисление органических веществ:

· биологическое (дыхание организмов);

· биохимическое (дыхание бактерий, на окисление органических веществ);

· химическое (окисление Fe2 , Mn2 , NO2, NH4 , CH4, H2S);

В поверхностных водах содержание растворенного кислорода изменяется от 0 до 14 мг/л и подвержено сезонным колебаниям. Для водоемов хозяйственно-питьевого водоснабжения количество растворенного кислорода должно быть не < 4 мг/л, для рыбохозяйственного назначения 4-6 мг/л.

Уровень загрязнения и класс качества воды в зависимости от значения содержания растворенного кислорода приведены в табл. 7.3.

Таблица 7.3 Содержание кислорода в водоемах с различной степенью загрязненности

Уровень загрязненности воды и класс качества Растворенный кислород
лето, мг/л зима, мг/л % насыщения
Очень чистые, 1 14-13
Чистые, 2 12-11
Умеренно загрязненные, 3 7-6 10-9
Загрязненные, 4 5-4 5-4
Грязные, 5 3-2 5-1
Очень грязные, 6

Степень насыщения воды кислородом определяется по уравнению:

А * 101308 * 100

М= —————————, (3)

N * P

где М- степень насыщения воды кислородом, %;

А- концентрация кислорода, мг/л;

N- нормальная концентрация кислорода при данной температуре, минерализации и общем давлении 101308 Па;

P- атмосферное давление в данной местности, Па.

Окисляемость ( ХПК )

Окисляемость характеризует содержание в воде органических и минеральных веществ, окисляемых сильными окислителями.

Существует несколько видов окисляемости: перманганатная, бихроматная, иодатная, цериевая. Наиболее высокая степень окисляемости достигается методами бихроматной и иодатной окисляемости. Бихроматная окисляемость часто называется химическим потребление кислорода ( ХПК ).

В поверхностных водах органические вещества находятся в растворенном, взвешенном и коллоидном состояниях. ХПК в природных водах широко меняется, что можно видеть из табл.7.4.

Таблица 7.4 Окисляемость и зональность природных вод.

Окисляемость (ХПК) Мг О2 / л Зона
Очень малая 0-2 Высокогорье
Малая 2-5 Горные районы
Средняя 5-10 Равнинные реки
Повышенная 15-20 Северная тайга, болота

Окисляемость подвержена сезонным колебаниям. В природных малозагрязненных водах рекомендуется определять перманганатную окисляемость, в более загрязненных водах- бихроматную окисляемость.

Для водоемов хозяйственно-питьевого водопользования значение ХПК должно быть < 15 мг О2 / л.

Различие водоемов по загрязненности можно также проиллюстрировать по значениям ХПК (табл.7.5).

Таблица 7.5 Величины ХПК с различной степенью загрязненности воды

Степень загрязнения ХПК, мг О2 / л
Очень чистые
Чистые
Умеренно загрязненные
Загрязненные
Грязные 5-15
Очень грязные > 15

Биологическое потребление кислорода ( БПК )

Биологическое потребление кислорода- количество кислорода, требуемое для окисления находящихся в 1 л воды органических веществ в аэробных условиях при 200С в результате протекающих в воде биохимических процессов.

БПК определяется за определенный период протекания процесса (3, 5, 10, 20 суток). Биохимическое окисление различных веществ происходит с разной скоростью. Полным биохимическим потреблением кислорода (БПКп) считается количество кислорода, требуемое для окисления органических примесей до начала процесса нитрификации.

В лабораторных условиях наряду с БПКп часто окисление проводится в течение 5 суток и определяется БПК5, значение которого близко к 70% от БПКп. БПК5 используется, как интегральный показатель загрязнения воды и для оценки эффективности работы очистных сооружений.

Для водоемов хозяйственно-питьевого водопользования значение БПК5 должно быть менее 3 мг О2 / л, для культурно-бытового водопользования- менее 6 мг О2 / л, для водоемов рыбохозяйственного пользования менее 3 О2 / л . Обычно значение БПК5 в поверхностных водах находится в пределах 0,5-4 мг О2 / л, а для грязных и очень грязных водоемов 4-10 и более.

ЛЕКЦИЯ 7

§

7.1 Экологические функции почвенного покрова

Почва- наименее подвижная природная среда, которая в отличие от воды и воздуха непосредственно не поступает в организм человека.

Вместе с тем, резко возрастающие антропогенные нагрузки на почву, приводятк уменьшению самоочищающей способности почв и накоплению в ней различных ксенобиотиков (тяжелая ароматические углеводороды (ПАУ), диоксины, пестициды, тяжелые металлы т т.д.).

Т.е. почва может выступать как долговременный и мощный источник вторичного загрязнения веществами, оказывающимися в конечном итоге, либо в питьевой воде, либо в сельхозпродуктах.

Нельзя забывать, что возможен и переход загрязняющих веществ из почвы в атмосферный воздух, особенно в аварийных ситуациях, связанных с разливами токсичных веществ.

Поэтому почва выполняет ряд важнейших экологических функций, влияя на качество атмосферного воздуха, надземных и подземных вод.

7.2 Источники загрязнения и реакция почвы на антропогенное загрязнение

Загрязнение почв происходит различными путями:

· в форме атмосферных выпадений;

· поверхностного стока;

· поступления с почвенно-грунтовыми водами;

· вследствие химизации сельского и лесного хозяйства;

· за счет коммунальных отходов, свалок, строительного мусора;

· разливов нефти и т.д.

Хотя, значительная часть источников загрязнения почв имеет локальное действие, но ряд загрязнителей действуют в региональном и даже глобальном масштабе.

Основные источники загрязнения почвы:

Промышленность и энергетика (токсичные промышленные отходы, сточные воды, выбросы в атмосферу, радиоактивные отходы).

Добыча полезных ископаемых («пустая» порода, запыление атмосферы, сточные воды, запыление территории).

Транспорт (отходящие выхлопные газы; потери при транспорте руд, горючего, химикатов; отходы смазочных масел и др. нефтепродуктов; электролита; пыль от истирания шин и т.д.).

Сельское хозяйство (минеральные удобрения, оросительные воды, сточные воды и отходы животноводческих комплексов).

Коммунальное хозяйство (дымовые газы котельных, твердые бытовые отходы (ТБО), бытовые химикаты).

Промышленное загрязнение идет в основном через атмосферу (осаждение пыли, аэрозолей, пыли с дождем и снегом, за счет выбросов дымовых труб ивентвыбросов).

Доказано, что существует ряд этапов в реакции почв на техногенное воздействие:

1) поступление и накопление химических загрязняющих веществ в почве;

2) значительное изменение физических и химических свойств почвы (рН, емкость ионного обмена, потеря почвенной структуры и гумуса);

3) неблагоприятное воздействие почвенных условий на растительный покров;

4) развитие процессов эрозии, дефляции;

5) полное разрушение и уничтожение почвенных горизонтов;

6) образование «техногенной» пустыни.

Таким образом, существуют определенные пределы и уровни техногенного воздействия на окружающую среду, превышение которых приводит к необратимым последствиям.

7.3 Принципы почвенного мониторинга

В основе почвенного мониторинга лежат следующие принципы:

1) Разработка методов контроля наиболее важных свойств почв.

2) Постоянный контроль за важнейшими показателями почвенного плодородия.

3) Ранняя диагностика негативных изменений почвенных свойств.

4) Разработка методов контроля за сезонной динамикой почвенных процессов.

Угнетение почвенной биоты и фитотоксичность почвы

Этот важный показатель находят по косьвенным признакам, т.е. по так называемому дыханию почвы, или эмиссии CO2.

Устанавливаются камеры на поверхности почвы, улавливающие CO2 (поглощаемое раствором KOH). Затем количество поглащенного CO2 определяется титрованием, по электропроводности или с помощью ИК-спектрометрии.

Следует учитывать, что эмиссия CO2 динамична и меняется в течении суток, с изменением погоды и сезона года.

Важное место в почвенном мониторинге, особенно химически загрязненных почв, имеет определение фитотоксичности.

Метод особенно хорош при оценке возможности использования в качестве мелиорантов или удобрений :

· различных отходов;

· осадков сточных вод;

· компостов;

· гидролизного лигнина и т.п.

Для этого используется метод рулонной культуры, связанный с выращиванием проростков тест-растений на рулоне фильтровальной бумаги. Перед посадкой семена замачиваются в растворах с различной концентрацией тяжелыхметаллов.

Фитотоксичность определяется по формуле:

Кт = [(Рк – Ро) ∙Ск] / (Рк ∙Со) ,

Где Кт – коэффициент токсичности;

Рк – сухая масса растения (на контроле);

Ро – сухая масса растения (в присутствии токсиканта);

Ск— содержание иона металла в сухой массе (на контроле);

Со— содержание иона металла в сухой массе (в присутствии токсиканта).

В ходе опыта фиксируют всхожесть, энергию прорастания, длину надземной и корневой системы, массу сухого вещества надземной и корневой части.

В качестве тест-растений используются овес, горох, пшеница, бобы, фасоль.

7.4 Загрязнение почв нефтепродуктами и тяжелыми металлами.

При контроле загрязнения почв нефтепродуктами решаются 3 задачи:

— определяются масштабы загрязнения;

— оценивается степень загрязнения;

— выявляется наличие токсичных и канцерогенных загрязнений.

Первые две задачи могут решаться дистанционными методами (аэрокосмическое измерение спектральной отражательной способности почв).

По изменению окраски (или плотности почернения) на аэрофотоснимках можно определить размеры загрязненной территории.

По снижению коэффициентов отражения можно оценить степень загрязнения.

В лабораторных условиях степень загрязнения находят определением содержания нефтепродуктов в почве, экстракцией гексаном в аппарате Сокслета с последующим гравиметрическим измерением.

При мониторинге почв особое внимание обращается на загрязнение полиароматическими углеводородами (ПАУ), определением их люминесцентным или хроматографическим методами.

Важным является контроль загрязнения почв тяжелыми металлами.

Валовое содержание тяжелых металлов определяют методом эмиссионного спектрального анализа без предварительного разложения пробы или методом атомно-абсорбционной спектроскопии после разложения пробы.

Атомно-абсорбционная спектроскопия может использоваться для определения подвижных соединений элементов из кислотных, солевых и водных вытяжек из почв.

7.5 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЧВЫ

7.5.1 Определение механического состава

Определение величины зерен почвы

Механический состав, величина частиц и их характер определяют такие свойства почвы, как пористость, воздухопроницаемость, влагоемкость, тепловые свойства и т.д.

Анализ механического состава почвы дает возможность судить о способности почвы к самоочищению.

Делается ситовой анализ на ситах с отверстиями от 10 до 0,25 мм. Содержимое каждого сита взвешивают и вычисляют каждой группы (фракции) почвенных частиц в %.

Определение пористости почвы(общего объема пор)

Сумма объемов свободных промежутков между частичками почвы составляет величину объема пор и выражается в %.

Принцип метода заключается в том, что определенный объем почвы смешивается с таким же объемом воды, при этом суммарный объем получается несколько меньше, чем сумма объемов.

Эта относительная разница, выраженная в % и будет составлять величину объема пор.

НАПРИМЕР: объем пор песка=40 %; глины=53 %; торфа=84 %.

Определение водопроницаемости

Крупнозернистые почвы обладают хорошей воздухо- и водопроницаемостью, а мелкозернистые— относительно большой водоемкостью, гигроскопичностью и капиллярностью.

НАПРИМЕР: песок задерживает около 20 % влаги, глина- 70 %, торф-10-ти кратное количество.

Водопронцаемость определяется временем, необходимым для просачивания воды слоем 4 см3 через слой почвы объемом 20 см3 (до появления первых капель).

Определение капиллярности почвы

Чем меньше величина почвенных частиц, тем выше капиллярность почвы. В стеклянную трубку, один конец которой обвязывается марлей, засыпается определенный объем почвы. Затем трубка опускается на 0,5 см в сосуд с водой. Отмечают максимальный уровень поднятия воды в сантиметрах через 10, 15, 30 минут и через 24 часа.

7.5.2 Определение показателей органического загрязнения

Анализ водной вытяжки из почвы

Анализ водной вытяжки на свежее загрязнение указывает на присутствие органического азота, углерода и хлоридов, в количествах больших, чем в почве контрольного участка.

По данным анализа водной вытяжки из почвы можно судить о характере и степени загрязнения почвы органическими веществами, интенсивности их минерализации и завершенности процесса самоочищения.

Почва заливается дистиллированной водой и добавляются 1 мл 13% раствора Al2(SO4)3 и 0,5 мл 7% раствора КОН. Суспензия перемешивается и фильтруется, водная вытяжка анализируется.

7.5.3 Анализ металлов в почве

Для анализа содержания металлов используются следующие методы:

· фотометрический (анализ V, W (с комплексообразованием), Co, Mn, Hg)

· атомно-абсорбционная спектроскопия (анализ Ni, Cu, Zn, Hg, Cr)

· полярографический (анализ Pb, Cr)

· спектрометрический (анализ Pb)

7.5.4 Анализ неорганических соединений

сероводород H2S (титриметрически с Na2S2O3)

— Сульфат-ионы . Серная кислота. Сера, сероводород в почве превращаются в сульфаты, которые определяются после осаждения BaCl2гравиметрически.

Фосфор и фтор определяются фотометрически.

Фториды определяются рН-метрически.

Нитраты(рН-метрия, после извлечения нитратов из почвы 1% раствором алюмокалиевых квасцов. Измеряется активность нитрит-ионов с использованием ионоселективного электрода.

7.6 Анализ ароматических углеводородов

Бензин (топливный)- ГХА равновесной паровой фазы на приборе с ПИД

Бензол, толуол, ИПБ, стирол – концентрирование из почвы с последующим анализом ГЖХ

Динитробензол (фотометрически)

7.7 Пестициды, удобрения и СПАВ

· Дикамба, Дилор (методом хроматографии в тонком слое)

· Кельтан (экстракция спиртом с последующим титриметрическим определением)

· Жидкие комплексные удобрения (N : P : K=10 : 34 : 32) – образованием комплекса фосфатов с молибдатом аммония с последующим восстановлением.

· Анионоактивные ПАВ- образованием комплексных соединений с последующей фотометрией.

ЛЕКЦИЯ 8-ЗФ

§

8.1 ОСНОВНЫЕ ЗАГЯЗНИТЕЛИ ПОЧВЫ

В почве протекают различные физические, химические биологические процессы, которые в результате загрязнений нарушаются.

Загрязнение почв связано с загрязнением атмосферы и вод. В почву попадают твердые и жидкие промышленные, сельскохозяйственные и бытовые отходы.

Основными загрязняющими почву веществами являются металлы и ихсоединения, радиоактивные вещества, пестициды, удобрения и нефтепродукты.

Самоочищение почв практически не происходит (или идет очень медленно). Токсичные вещества накапливаются, что способствует изменению химического состава почв. Из почв токсичные вещества могут попасть в организмы животных, людей и вызвать отрицательные последствия.

В почвах накапливаются металлы (Fe, Hg, Pb, Cu и др.). Повышение содержания Cu и Zn приводит к замедлению роста растений и снижению урожайности.

Радиоактивные элементы попадают в почву при удалении жидких и твердых отходов, а также с осадками после взрывов.

Большое количество отходов образуется при добыче и обогащении полезных ископаемых, калийного удобрения, эксплуатации теплоэлектростанций. Постоянно возрастает количество бытовых отходов. Как не вспомнить здесь слова Нильса Бора о том, что «человечество погибнет на в атомной катастрофе, оно захлебнется в собственных отходах».

8.2 МИНЕРАЛЬНЫЕ УДОБРЕНИЯ И НЕФТЕПРОДУКТЫ В ПОЧВЕ

МИНЕРАЛЬНЫЕ УДОБРЕНИЯ оказывают прямое и косвенное действие на сельскохозяйственные культуры, почвенную биоту и развитие биологических процессов в природных водах.

Минеральные удобрения интенсифицируют микробиологические процессыв почвах, однако чрезмерное их применение ухудшает физико-химические и биологические свойства почв.

Применение минеральных удобрений увеличивает численность бактерий и грибов в почвах.

Устойчивость микробной системы определяется типом почвы, степенью окультуривания и видом удобрения. Важным фактором предотвращения негативных последствий высоких доз минеральных удобрений является внесение органических удобрений и извести.

Высокие дозы азотных, калийных и фосфорных удобрений увеличивают количество токсикообразующих микроорганизмов и ведут к микробному токсикозу почвы.

Избыток минеральных удобрений поверхностным стоком сносится в реки и озера, что вызывает эвтрофикацию водоемов.

НАЛИЧИЕ НЕФТЕПРОДУКТОВ в почве в районах нефтедобычи и нефтепереработки приводит к интенсивной трансформации морфологических и физико-химических свойств почв.

При этом общее содержание углерода в почве может увеличиваться до 10 раз, а углеводородов до 100 раз.

В незначительных количествах нефть и нефтепродукты стимулируют почвенную биоту, вызывая рост некоторых почвенных грибов (Scolecobasidium), которые могут использоваться, как биоиндикаторы на нефтяные загрязнения.

Длительное воздействие нефти на почву приводит к изменению её микробиологических свойств.

В БИОГЕОЦЕНОЗАХ осуществляются процессы самоочищения от нефти, скорость которых зависит от биоклиматической обстановки. Так, в солонцеватых почвах, вусловиях недостаточного увлажнения, содержание нефти за год уменьшается на 65 %.

Зная естественные механизмы и скорость самоочищения почв, можно разрабатывать методы очистки почв от загрязнения нефтью и нефтепродуктами.

8.3 ОТБОР ПРОБ ПОЧВЫ НА АНАЛИЗ

Каких-либо единых, общепринятых, стандартных норм для санитарной оценки почвы пока не существует; отсутствуют и стандартные методы исследования почвы. Глубина исследований зависит от поставленной задачи.

Отбор проб рекомендуется проводить в соответствии с ГОСТ 17.4.4.02-84 «Охрана природы. Почвы. Методы отбора и подготовки проб для анализа». Стандарт предназначен для контроля общего и локального загрязнения почвы в районах воздействия промышленных, сельскохозяйственных, хозяйственно-бытовых, транспортных источников загрязнения.

Наибольшее внимание уделяют определению степени загрязнения почвы органическими веществами животного происхождения и способности почвы к самоочищению. В качестве санитарных показателей определяют: рН, растворимость, концентрацию контролируемого соединения.

Отбор проб проводят с участка площадью 25 м2 в 3-5 точках по диагонали с глубины 0,25 м (при необходимости с 0,75-2 м). Взятые с каждого горизонта пробы перемешивают и в количестве 1 кг направляют на анализ. Для бактериологического анализа достаточно 200-300 г.

При контроле за обезвреживанием хозяйственно-бытовых отходов пробы отбирают с глубины 0,5; 1,0; 1,5 м. Пробы отбирают в банки с ватными пробками.

При определении в почве поверхностно-распределяющихся веществ (нефть, нефтепродукты, тяжелые металлы) точечные пробы массой 200 г. отбирают на глубине 0,5; 5 и 20 см.

При анализе загрязнения почвы легколетучими или химически нестойкими веществами точечные пробы отбирают по всей глубине почвенного профиля и помещают в герметически закрываемые стеклянные емкости.

Пробы анализируют в день отбора. При длительном хранение к пробе добавляются консерванты.

8.4 РАСЧЕТ РЕЗУЛЬТАТОВ АНАЛИЗА ПРОБ ПОЧВЫ

При определении вредных примесей в почве возникает необходимость определения влажности почвы. Навеска почвы помещается в химический стакан в количестве 15-50 г и проводится сушка до постоянства веса при 105 ± 2оС в течении 3 ч (песчаные почвы)и при 80 ± 2оС в течении 8 ч (загипсованные почвы).

Влажность определяется в % по формуле: w= (m1-mo)*100 / (mo— m),

Где m1-масса влажной почвы со стаканом, г;

mo— масса высушенной почвы со стаканом, г;

m- масса стакана, г.

Концентрацию исследуемого вещества в почве «С» [мкг/кг почвы] вычисляют по формуле: С= а / в,

Где а- количество исследуемого вещества, найденное в пробе, мкг;

в- масса исследуемой почвы, г.

При пересчете на абсолютно сухую почву вводят коэффициент

К=100 / (100 – w).

При концентрировании веществ экстракцией или отгонкой жидкости концентрацию вещества С, (мг / кг) вычисляют по формуле:

С= а*V1 / V*b,

Где а- содержание вещества в исследуемом объеме раствора, мкг;

V1 – общий объем раствора пробы, мл;

V- объем раствора пробы, взятый для анализа, мл;

в – масса исследуемого образца почвы, г.

§

8.5.1 ВИДЫ ОБСЛЕДОВАНИЯ И УСЛОВИЯ ИХ ПРОВЕДЕНИЯ

Обследование организуется для выяснения причин высоких уровней концентрации токсичных веществ и обеспечения охраны атмосферы.

Различают три вида обследования:

· эпизодическое- для ориентационной оценки состояния загрязнения и выбора места для постов наблюдения;

· комплексное- для детального изучения особенностей и причин высокого уровня загрязнения и разработки воздухоохранных мероприятий;

· оперативное- для выявления причин резкого ухудшения качества воздуха (по особой программе).

Для составления программы любого вида обследования необходимо ознакомиться:

— с общей физико-географической характеристикой района (для выбора местоположения постов);

— с климатическимиусловиями распространения примесей в районе населенного пункта;

— с основными источниками загрязнения воздуха, качественным и количественным составом выбросов, особенностями технологических процессов;

— с состоянием загрязнения атмосферы города на основе всех имеющихся данных наблюдений.

Эпизодические обследования могут проводиться в течении 3-5 лет (1 раз в квартал по 10-15 дней) с проведением за год не менее 200 наблюдений.

В случае обследования промышленного предприятия в программе обследования указывается количество точек наблюдений и их расстояния от предприятия, и перечень веществ, измеряемых при обследовании.

Комплексные обследования организуются при разработке мероприятий по оздоровлению воздушного бассейна города или промышленного района. Они требуют составления программ:

уточнения характеристик выбросов промышленного предприятия;

изучения метеорологического режима;

выявления приоритетных загрязнителей;

сбора медико-биологических сведений.

8.5.2 ОБСЛЕДОВАНИЕ ОТДЕЛЬНОГО ЦЕХА ИЛИ ПРОИЗВОДСТВА ЦЕЛЬ- выявление источников вредных выбросов, определение из количественного и качественного состава, составление технических паспортов на выбросы и разработка мероприятий по уменьшению выбросов.

ОБЪЕКТ ОБСЛЕДОВАНИЯ- в первую очередь цеха основных производств, выбрасывающих максимальное количество загрязнителей.

ЭТАПЫ ОБСЛЕДОВАНИЯ:

1. Составление программы обследования (сроки, места отбора, методики отбора и анализа, методика обработки результатов).

2. Оснащение точек отбора проб приспособлениями.

3. Подготовка персонала.

4. Проведение обследования.

При проведении обследования учитываются :

· постоянные технологические выбросы (отходящие газы, выбросы);

· периодические технологические выбросы (пуск, останов, продувка);

· сантехнические выбросы (вытяжная вентиляция и т.п.);

· выбросы при нарушении режима (определяются расчетным путем).

Обработка результатов обследования сводится:

к расчету количества выбросов от каждого источника;

к составлению общего перечня выбросов;

к расчету рассеивания вредных выбросов (опр. Смах, ИЗА и др.);

к сопоставлению полученных результатов с ПДК м.р или ПДКс.с.;

к построению таблиц по видам выбросов и выбросам отдельных компонентов (в т/г).

При превышении ПДК разрабатывают мероприятия по снижению выбросов для конкретных производств (установок). При необходимости подключаются отраслевые институты и базовые лаборатории, куда направляются результаты обследования.

По результатам обследования составляются технические паспорта на выбросы, которые высылают в контролирующие органы.

8.5.3 КОНТРОЛЬ ЗА РАБОТОЙ ПЫЛЕГАЗООЧИСТНЫХ УСТАНОВОК

К газопылеочистным установкам относятся:

· аппараты электрической очистки газов (сухие, мокрые );

· тканевые, волокнистые и пористые фильтры;

· сухие инерционные пылеуловители (циклоны, жалюзные, ротоклоны);

· мокрые пылеуловители (скрубберы, пенные аппараты, барботеры);

· аппараты химической очистки газов (абсорбционные, адсорбционные);

· установки каталитической очистки и дожига;

· печи и установки дезодорации.

Их подразделяют также на установки технологической очистки (без выбросов в атмосферу) и установки санитарной очистки газов (для очистки выбрасываемого воздуха).

Контролировать эффективность работы пылегазоочистного оборудования необходимо для поддержания чистоты атмосферного воздуха в районе размещения предприятия.

Эффективность газоочистных и пылеулавливающих установок определяют путем непосредственных измерений концентрации загрязняющего вещества в газоходах «до» и «после» установок газоочистки.

Контроль за эффективностью работы должен осуществляться в строгом соответствии с «Правилами технической эксплуатации очистных и пылеулавливающих установок» путем проведения обследования.

Для проведения обследования необходимы сведения:

— о технологическом процессе и оборудовании;

— о герметичности технологического оборудования;

— о системах аспирации и вентиляции;

— о характеристиках газоочистного оборудования.

Обследование начинают с измерения аэродинамических характеристик (w, ΔP и т.п.)

По результатам обследования и данным о рассеянии вредных веществ в атмосфере служба охраны природы предприятия:

— выявляет источники, выбросы которых создают концентрации выше ПДК;

— разрабатывают мероприятия по снижению вредных выбросов;

— разрабатывают годовые и перспективные планы охраны воздушного бассейна;

— составляют отчеты по охране атмосферы.

Результаты обследований являются также основой для расчетов и установления ПДВ (или ВСВ) и подготовки различной документации, связанной с охраной окружающей среды.

В ЗАКЛЮЧЕНИЕ также отметим, что существуют косвенные методы исследования уровня загрязнения атмосферы: с отбором проб осадков и с определением содержания вредных веществ в снеге, почве и растительности.

Результаты химического анализа состава осадков позволяют не только оценивать вклад локальных источников, но и перенос их вместе с воздушными массами.

В конце всех видов обследования проводится анализ и обобщение результатов обследования состояния атмосферы.

ЛЕКЦИЯ 9-ЗФ

§

9.1 КОНТРОЛЬ И УПРАВЛЕНИЕ КАЧЕСТВОМ ВОЗДУХА

Исторически, обозначения ОБУВ, ОДК, ВДК, ПДК соответствовали верхнему пределу лимитирующих факторов среды, не вызывающих изменения состояния или ухудшения здоровья человека.

Известно, что для воздушной среды ПДК р.з. > ПДК м.р. > ПДК с.с.

Кроме того, вещества отличаются по классу опасности, при формировании которого используются понятия летальная доза (ЛД50) и коэффициент возможного ингаляционного отравления (КВИО).

Ориентировочные значения ПДК р.з. и ЛД 50, соответствующие веществам различных классов опасности приведены в табл. 9.1.

Таблица 1. Характеристики классов опасности веществ

Показатели КЛАСС ОПСНОСТИ ВЕЩЕСТВ
Чрезвычайноопасные (1кл) Высокоопасные (2 кл.) Умеренноопасные (3 кл.) Малоопасные
(4 кл.)
ПДК р.з., мг/м3 < 0,1 0,1 — 1,0 1,0 — 10,0 > 10,0
ЛД 50 , мг/л < 100 100-500 500-2500 > 2500

Для вредных примесей в воздухе следует учитывать эффект суммации:

С1 С2 Сn

————— ————- . . . ————— ≤ 1, ( 1 )

ПДК1 ПДК.2 ПДКn

где С1, С2… Сn — концентрации вредных примесей;

ПДК1, ПДК.2 … ПДКn— соответствующие значения ПДК.

Если такое соотношение соблюдается, то можно считать, что содержание вредных примесей можно считать нормативным. Известны 29 групп веществ, обладающих эффектом суммации. Например: фенол и ацетон; озон, диоксид азота и формальдегид и др.

По санитарным нормам СН 245-71 выбросы в атмосферу лимитируются:

· на территории предприятия значениями 0,3 ПДК р.з. ;

· в воздухе населенных пунктов значениями 1 ПДК м.р. ;

· в городах с населением более 200 тыс. значениями 0,8 ПДК м.р.

При проектировании новых предприятий максимальное содержание примеси от разных источников должно соответствовать соотношению:

N

∑ Ci ≤ 0.3 ПДК р.з — Cф, ( 2 )

где Сф — фоновая концентрация примеси.

В воздухе населенных пунктов должно соблюдаться соотношение:

N

∑ Cmi ≤ ПДК м.р. — C ф , ( 3 )

где N- число источников эмиссии примеси.

Превышение над фоновыми концентрациями в загрязненной атмосфере больших городов может составлять:

· оксида углерода в 80-1250 раз;

· диоксида серы в 50-300 раз;

· диоксида азота до 25 раз;

· озона до 7 раз.

Воздух промышленной зоны загрязняется дополнительно веществами, образующимися в производственных процессах и выбросах. В настоящее время фиксируется более 500 веществ, загрязняющих атмосферу.

ПРИМЕР: Мировые выбросы бензо(а)пирена составляют 5000 т / год при ПДК = 1*10-6 мг / м3. При этом 61 % эмиссии приходится на сжигание древисины, 8% — на лесные пожары, 1%- на выбросы транспорта и 0,1% (0,05%) на сжигание нети (газа).

Мировые выбросы диоксинов составляют 5т / год при ПДК= 5*10-10 мг / м3.

9.2 КОНТРОЛЬ И УПРАВЛЕНИЕ КАЧЕСТВОМ ВОДЫ

В ВОДНЫХ ОБЪЕКТАХ

Предельно допустимая нагрузка (ПДЭН) на водоем должна определяться соотношением:

С доп = С норм. нагр. — С существ. ( 4 )

Для каждого предприятия устанавливается предельно допустимый сброс токсичных веществ (г/с, кг/ч, т/год) на основе выполнения тома ПДС.

При поступлении в водоем различных вредных веществ с одинаковым показателем вредности должно соблюдаться условие:

С1ф1 С2 — Сф2 Сn — Сфn

————— ————- . . . ————— ≤ 1, ( 5 )

ПДК1 ПДК.2 ПДКn

где С1, С2… Сn — концентрации вредных примесей;

Контроль и управление качеством воды в водных объектах предусматривает решение 3-х задач:

1) Определение требуемой степени очистки сточных вод.

В связи со сбросом сточных вод должно соблюдаться условие:

q * C ст. Q * C ф = ( q γ * Q) * C ппв , ( 6 )

где q, Q- расход сточных вод и воды в реке, м3/с;

γ — коэффициент смешения вод;

С ппв , С ф , С ст.— концентрация токсичного вещества перед расчетным пунктом водопользования, фоновая концентрация и концентрация в СВ.

q * C ст. Q * C ф

Откуда С ппв = ————————. ( 7 )

q γ * Q

Если С ппв < ПДК п.в., то меры по очистке сточных вод достаточны, в противном случае необходима дополнительная очистка сточных вод.

2) При выборе места строительства предприятия должна быть обеспечена достаточная степень разбавления сточных вод.

Для этого определяется максимальная предельная концентрация в сбросе сточных вод по уравнению:

γQ

С ст. пред. = ———( С пдк — С ф ) С пдк ( 8 )

q

Эта концентрация закладывается в основу при проектировании новых производств.

3)Прогнозирование качества воды на заданную перспективу.

Для этого определяется кратность необходимого разбавления сточных вод водами водоема ( n ) :

γQ q

n = ———— , ( 9 )

q

Связь между коэффициентом смешения и кратностью разбавления определяется соотношением

q

γ = (n — 1) —— . ( 10 )

Q

Если С фi ≥ ПДК п.в.i , то сброс сточных вод недопустим.

9.3 НОРМИРОВАНИЕ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ В ПОЧВЕ

Гигиеническое нормирование вредных веществ в почве включает три вида исследований:

1) Определение максимально допустимой концентрации вещества в почве с точки зрения его токсического действия на человека, то есть накопление его в растениях не должно быть больше допустимого остаточного количества (ДОК), а в воздухе и воде меньше, чем ПДК в средах.

2) Установление органолептических свойств растений, выращенных на данной почве, а также воды и воздуха.

3) Изучение характера и интенсивности действия вредного вещества на процессы самоочищения в почве.

Из найденных пороговых концентраций выбирают наименьшую, которую рассматривают, как ПДК.

Исследования проводят в лабораторных условиях на модельных почвах (песчаник и чернозем) и с модельными растениями (картофель и морковь). При необходимости данные уточняются в полевом эксперименте.

Пока предельно допустимые концентрации токсикантов в почве (ПДК п) установлены для 49 ядохимикатов и тяжелых металлов в мг/ кг почвы.

Контроль веществ в почве и местах захоронения отходов ведут региональные (областные) Центры Роспотребнадзора.

9.4 НОРМИРОВАНИЕ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ В ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТАХ

При поступлении вредных веществ в растительные и животные организмы они могут биоаккумулироваться и переходить по пищевой цепи.

ПРИМЕР:Фтор из почвы → растения → животные → пища человека → наблюдается размягчение костей. Если принять содержание ДДТ в почве за условную единицу, то содержание его в червях будет составлять 10-40 единиц, а у птицы (глухарь)- до 200 единиц.

Гигиеническое нормирование в пище касается в основном пестицидов и тяжелых металлов. Норма пестицидов устанавливается для каждой сельскохозяйственной культуры. В табл. 9.2 приведены допустимые содержания некоторых токсичных веществ в разнообразных пищевых продуктах.

Таблица 9.2 ПДК прод. (мг/кг продукта) для ряда пищевых продуктов

Элемент Рыба Мясо Мол.продукты Хлеб Овощи Фрукты Соки
Al
As 0.5 0.05 0.2
Cd 0.1 0.05 0.01 0.02 0.03 0.002

9.5 КОНТРОЛЬ И УПРАВЛЕНИЕ РАДИАЦИОННОЙ БЕЗОПАСНОСТЬЮ

В связи с созданием АЭС, атомных бомб и их испытаниями, окружающая среда стала подвергаться радиоактивному ионизирующему излучению в дозах, превышающих естественную радиацию и оказывающих вредное воздействие на

животный мир. При техногенном загрязнении в окружающую среду поступает смесь радионуклидов.

Известно, что в природе существуют три вида радиоактивного излучения: α-, β-, γ — излучения.

γ- излучения— электромагнитные излучения высокой энергии и обладающие наибольшей проникающей способностью, что вызывает трудности при обеспечении защиты от него.

β- излучения- излучения корпускулярной природы, представляющие собой поток отрицательно заряженных частиц (электронов). Обладают меньшей проникающей способностью и могут даже задерживаться неповрежденной кожей. Но при поступлении внутрь организма хорошо поглощаются тканями и разрушение тканей вызывается большее, чем при γ-излучении.

α- излучения- представляют собой поток положительно заряженных частиц (ядер гелия), легко поглощаемый любой средой. Защитой может служить и лист бумаги, но при попадании внутрь организма могут вызвать трагические последствия.

Примерами γ- изотопов могут являться Cz134, Cz137 , β- излучения — Sr90 , α- излучения Po210, Pu239. Важной характеристикой радиоактивного вещества является период полураспада (от доли секунд до тысячелетий). Для указанных радиоактивных элементов он составляет: Cz134 — 2 года; Cz137 — 30 лет; Sr90 — 27,7 лет; Po210— 136 часов; Pu239 — 24400 лет.

Основными документами по контролю за безопасностьью населения являются Федеральный Закон «О радиационной безопасности населения» и «Нормы радиационной безопасности НРБ-96».

Согласно этим нормам устанавливается три категории облучаемых лиц:

А- профессиональные работники (на АЭС и т.д.);

Б- ограниченная часть населения (по условиям проживания или размещения рабочих мест, при работе с радиоактивными отходами и т.д.);

В- остальное население.

Для группы Б доза внешнего облучения не должна превышать 0,5-5 бэр (биологический эквивалент рентгена) в год (в зависимости от органов).

Экологических нормативов, устанавливающих допустимое воздействие на экосистемы, нет!

В настоящее время действуют «Основные санитарные правила работы с радиоактивными веществами и другими источниками ионизирующих излучений ОСП-72/87».

Они содержат требования :

· по охране окружающей среды от загрязнения радиоактивными веществами;

· по учету, хранению и перевозке источников ионизирующего излучения;

· по сбору, удалению и обезвреживанию твердых и жидких радиоактивных отходов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Как отмечалось выше, многие антропогенные воздействия, особенно загрязнения, вызывают отрицательные последствия в природе. Меры по их предотвращению зачастую требуют огромных средств и времени.

Предложены следующие подходы к ограничению загрязнения природной среды:

· ограничения, основанные на обязательном соблюдении норм качества окружающей среды, т. е. санитарно-гигиенических требований (ПДК, ОДК и др.);

· ограничения, основанные на установлении предельных выбросов, сбросов и лимитов размещения отходов (ПДВ, ПДС и т.п.);

· ограничения, связанные с выбором и соблюдением экономического оптимума при анализе природоохранных затрат и приносимого ущерба;

· ограничения на базе всестороннего анализа природной среды.

В настоящее время чаще всего используются первые два подхода, а первый из них является основным в России и большинстве стран мира.

Однако, из данных санитарно-гигиенического контроля невозможно извлечь информацию об источниках загрязнения и их интенсивности, поэтому в этом плане более приемлем подход, связанный с ограничением выбросов (ПДВ) и сбросов (ПДС) в природную среду. Он учитывает конкретные климатические условия и экологическую нагрузку в данном районе.

Рассмотрев в курсе положительные моменты, хотелось бы отметить противоречия и недостатки систем мониторинга, которые обусловлены:

— неопределенностью понятий «предельно допустимая экологическая нагрузка» и «приемлемое качество среды» при продолжающемся возрастании разнообразия загрязняющих веществ;

— стремлением измерить все большее число параметров, приводящее к чрезмерному удорожанию систем мониторинга;

— недостаточной взаимосвязью дистанционных и контактных методов получения информации;

— недостаточным согласованием информации, полученной физико-химическими и биологическими методами;

— большим числом анализов, выполняемых вручную;

— запаздыванием информации и ограниченным доступом к ней заинтересованных организаций.

Следовательно, существующие системы мониторинга должны подвергнуться существенной модернизации, при этом следует исходить из:

· признания необходимости сохранения централизованной системы наблюдения и контроля;

· понимания важности стыковки результатов измерений в импактных зонах (посты, пункты наблюдений и т.п.) с измерениями выбросов, сбросов на предприятиях (сегодня они отличаются на порядок);

· осуществления тесного взаимодействия различных методов наблюдения с использованием принципов взаимодополнения и интеркалибрования;

· разработки новых методик и приборов (особенно для фоновых измерений), простейших приборов и средств получения экспресс-информации;

· необходимости дополнить существующую систему мониторинга системой принятия решений, т. е . экспертной компьютеризованной службой, основанной на создании единой по стране геоинформационной ситеме (типа ГИС / GIS);

· увеличения роли станций дистанционного наблюдения и мобильных лабораторий, особенно при анализе послеаварийных ситуаций, изучении районов экологического бедствия;

· необходимости, чтобы информация, полученная с помощью экологического мониторинга, представлялась совместно с географической информацией и данными медицинского мониторинга;

· повышения доступности достоверной экологической информации для всех заинтересованных организаций и населения.

В заключение напомним, что основной задачей систем мониторинга является увязка производительности и профиля предприятия с загрязнением окружающей среды.

Это позволяет:

— создать компьютерный банк данных о состоянии и прогнозе качества компонентов окружающей природной среды;

— рассчитывать интегральные характеристики воздействия выбросов, сбросов и размещения отходов предприятий, определять доли загрязнения разными предприятиями и отраслями;

— оценивать эффективность планируемых хозяйственных и природоохранных мероприятий и возможность компенсации наносимого ущерба.

При этом отметим, что основным инструментом регулирования природопользования стали платежи за загрязнение, которые ориентировочно распределяются следующим образом: за загрязнение почвы- 75 %; воды- 15 %; воздуха- 10 %.

Лекция 10 МОНИТОРИНГ НА ОСНОВЕ МАТЕРИАЛОВ КОСМИЧЕСКИХ СЪЕМОК

Общая характеристика методов космических съемок

В мониторинге окружающей среды большую роль играет дистанционное зондирование (ДЗ) с космических летальных аппаратов. За последнее десяти­летие существенно возросли объем, разнообразие и качество материалов ДЗ,

и, как следствие, расширился круг приложений, относящихся к исследованиям окружающей среды. По космическим изображениям земной поверхности иден­тифицируются ареалы распространения природных явлений и процессов в пре­делах ландшафтов, при этом обеспечивается детальное изучение водных объ­ектов, растительности, почв, рельефа, горных пород. При исследовании атмо­сферных процессов определяются температура, осадки, распределение и тип об­лаков, скорость ветра, концентрации газов и т.д. Возможности получения сведе­ний о техногенной нарушенности ландшафтов достаточно обширны, это пожа­ры, выпасы скота, лесохозяйственные, горнопроходческие выработки, различ­ные виды загрязнения водных объектов, почв и грунтов, захоронения радиоак­тивных отходов и т.п.

Достоинства методов дистанционного зондирования заключаются в сле­дующем:

— возможность в короткие сроки получить информацию о большой террито­рии Земли;

— высокая оперативность получения данных, и, следственно, актуальность данных на момент съёмки (короткое время между моментом зондирования и моментом получения данных пользователем, особенно это важно при наблю­дении за чрезвычайными ситуациями);

— высокая точность обработки данных за счёт применения технологий гло­бального позиционирования и компьютерной обработки данных;

— высокая информативность (содержание большего количества информации на снимках по сравнению с картами);

— выполнение съемки в разных зонах спектра позволяет идентифицировать природные объекты с высокой степенью детальности;

— возможность получения трёхмерной модели местности.

Волны (или частоты) электромагнитного излучения, используемые для дистанционного зондирования в системах мониторинга окружающей среды, занимают широкий участок электромагнитного спектра от 0.3 мкм до 1.3 м с разбиением на поддиапазоны: видимый, ближний инфракрасный (0.4…0.9 мкм), тепловой (3.5.14 мкм), радиодиапазон (1 мм — 1.3 м).

На практике имеются ограничения, связанные с прохождением элек­тромагнитного излучения через атмосферу, а также его взаимодействием с земными покровами и водными объектами. Так каждый момент времени облач­ность закрывает более 50 % поверхности земного шара; некоторые районы остаются закрытыми облачностью большую часть времени года. Атмосферой поглощаются солнечные лучи определенных длин волн, поэтому съемку выполняют, ис­пользуя только те участки спектра, где электромагнитное излучение не погло­щается (в окнах прозрачности атмосферы). Атмосфера — относительно про­зрачная в видимом и инфракрасном диапазонах, а практически прозрачной атмосфера становится в радиодиапазоне.

Системы ДЗ могут регистрировать отдельные параметры среды (напри­мер, измерять температуру) или обеспечивать формирование изображений земной поверхности.

Большинство систем ДЗ регистрируют естественное излучение, отра­женные от земного покрова, они относятся к пассивным. Те системы, кото­рые сами генерируют излучение и затем анализируют его отраженную часть называют активными. Пассивные системы используют для регистрации от­раженной солнечной радиации в видимом и ближнем и среднем ИК. Актив­ные системы работают в дальнем ИК диапазоне (больше 3 мкм) и в радиоди­апазоне.

Таким образом, можно выделить основные съемочные системы:

1) фотографические, которые получают изображение с помощью фото­графических камер, с последующей доставкой пленки на Землю; такие сним­ки получаются в видимой и в ближней инфракрасной части спектра (0,4…0,9 мкм) и предназначены для решения задач, не требующих оперативного наблюдения;

2) телевизионные (диапазон спектрального излучения тот же, что и в фотографических датчиках), в качестве датчика используется фотоэлектри­ческая матрица;

3) инфракрасные сканеры, которые регистрируют излучения в тепловом диапазоне (3,5…14 мкм) и отображают температурные характеристики по­верхности;

4) многоканальные сканеры, которые охватывают диапазон от видимого до теплового (0,4… 14 мкм);

5) радиолокационные системы.

К активным съемочным системам относятся:

а) радиолокационные датчики ((электромагнитный диапазон от 0,1 см до 130 см) создают электромагнитные колебания, посылаемые к объектам, отраженные от них колебания фиксируются антенной);

6) лидары (в качестве источника излучения используются мощные лазе­ры, которые формируют когерентные (согласованные по частоте и фазе) из­лучения в оптическом диапазоне).

Преимущество активных съемочных систем состоит в том, они могут проводиться в сложных метеоусловиях, в любое время суток, пригодны для получения информации об объектах закрытых снегом, растениями и др.

Информативность космических изображений определяется простран­ственным, радиометрическим и спектральным разрешениями.

Пространственное разрешение или разрешающая способность является одним из главных параметров, определяющих обзорность и детальность изображений. Под пространственным разрешением понимается минималь­ный линейный размер объектов местности различимых на изображении. Для цифровых снимков пространственное разрешение представляет собой размер пикселя на местности, который является наименьшим элементом цифрового изображения, внутри которого отдельные объекты не различаются. Разреша­ющая способность определяется конкретными особенностями съемочной си­стемы. Выделяют данные низкого (более 100 м), среднего (10…100 м), высо­кого (1.10 м) и сверхвысокого (менее 1м) разрешений.

Целесообразность применения сенсоров с тем или иным разрешением определяется задачами, стоящими перед исследователем.

Для глобального обзора с высокой периодичностью подходят изображе­ния с низким разрешением (до 1км), достаточно детальное изучение многих компонентов природной среды обеспечивают системы со средним разреше­нием. Съемочные системы с высоким разрешением и сверхвысоким позво­ляют получать информацию, соответствующую по детальности требованиям для крупномасштабной топографической съемки.

Следующим по важности параметром является спектральная разреша­ющая способность- количество спектральных зон, их ширина и размещени­ем по электромагнитному спектру. Большинство систем дистанционного зондирования могут работать в нескольких спектральных диапазонах. Требу­емое количество спектральных зон обеспечивается фильтрами. Наиболее вы­сокое спектральное разрешение достигается применением призм или дифрак­ционных решеток. Первые съемочные системы имели один канал с очень ши­роким диапазоном чувствительности, который охватывал видимый и часть ближнего ИК-диапазона. В настоящее время уже существуют датчики, кото­рые имеют сотни каналов.

Под радиометрическим разрешением понимается ширина динамического диапазона датчика и число градаций сигнала в каждой спектральной зоне. Большинство сенсоров обладают радиометрическим разрешением 8 бит. Что наиболее близко мгновенному диапазону зрения человека, но есть сенсоры и с более высоким радиометрическим разрешением (например, 11 бит — 2048 градаций для IKONOS), что позволяет различать больше деталей на очень ярких или очень темных областях снимка.

Временное разрешение определяется периодичностью съемки одного участка. Решение различных задач по данным ДЗ требует получения снимков с различной периодичностью. Так, для большинства сельскохозяйственных задач, требуются снимки каждые 7-15 дней. Контроль же чрезвычайных си­туаций и быстропротекающих процессов (например, пожары) требует высо­кой периодичности — от суток до нескольких часов.

Многоспектральные и гиперспектральные изображения. Первоначаль­но съемку Земли выполняли с помощью фотоаппаратов на различные типы пленок. В зависимости от того, к какой части спектра в наибольшей степени чувствительна фотоэмульсия, фотопленки разделялись на следующие сорта: ортохроматическая (дополнительная чувствительность к зеленым и желтым лучам), панхроматическая (светочувствительность ко всем лучам видимого спектра, но пониженная чувствительность к лучам зеленой части спектра), изопанхроматическая (ко всем лучам видимого спектра). Современные тех­нологии позволяют получать цифровые изображения одного и того же участ­ка земной поверхности в нескольких отдельных зонах спектра. Такие данные называются многозональными (многоспектральными, мультиспектральными, спектрозональными) снимками. При этом из изображений, полученных в различных спектральных зонах, появилась возможность синтезировать мно­жество вариантов цветного изображения (в ложных цветах).

Многозональные снимки получают системами, имеющими достаточно широкие зоны съемки, преимущественно 100 нм (или 0,1 мкм). При неболь­шом числе каналов такое спектральное разрешение устраивало потребителя.

Дальнейшее развитие съемочных систем позволило осуществлять так называемую гиперспектральную съемку, со спектральным разрешением в 10 нм. Принцип получения гиперспектральных изображений тот же, что и мно­госпектральных. Четкого различия между терминами многоспектральные и гиперспектральные данные нет, но к последним принято относить те, у кото­рых нет разрыва между поддиапазонами, т.е. в некоторой части спектра по­лучается практически непрерывный диапазон принимаемых данных.

Для получения данных ДЗ используются: пилотируемые космические корабли и орбитальные станции и автоматические искусственные спутники Земли. Траектории движения спутников различаются по форме, высоте и по положению относительно Солнца.

Высоты, на которых работают съемочные платформы, подразделяются на группы:

1) малые высоты: 100.500 км (пилотируемые корабли и орбитальные станции);

2) средние высоты: 500.2000 км (ресурсные и метеорологические спутники);

3) большие высоты: 36000.40000 км (геостационарные спутники).

Период обращения вокруг Земли — от 1,5 часов до суток.

Основные типы спутников в зависимости от положения относительно

поверхности Земли:

геостационарные (спутник движется со скоростью, равной угловой скорости вращения Земли, поэтому обеспечивает съемку одной и той же ча­сти планеты);

-полярно-орбитальные (плоскость полярной орбиты примерно перпен­дикулярна плоскости вращения Земли, поэтому спутник регулярно через определенный период времени, оказывается над заданным районом наблю­дения);

-солнечно-синхронные (орбиты имеют постоянный угол между плоско­стью орбиты и направлением на Солнце, что обеспечивает одинаковую освещенность земной поверхности вдоль трассы, следовательно, облегчает сопоставление данных).

Орбиты могут иметь круговую, эллиптическую, параболическую или ги­перболическую форму.

Методы обработки спутниковых данных

Прежде чем данные дистанционного зондирования становятся информа­цией, исходные изображения должны пройти несколько стадий обработки. В общем случае выполняет: предварительную и вторичную (тематическую) об­работку.

Исходная информация, регистрируемая наземным приемным центром, представляет собой сигнал, поступающий со спутника в виде битовой последова­тельности, содержащий не только результаты съемки Земли, но и служебную ин­формацию о движении и ориентации космического аппарата, режимах работы съемочной аппаратуры и др.

После приема спутниковых данных выполняют необходимые декодиру­ющие и корректирующие операции, и в частности преобразовывают данные (с учетом калибровок), переданных с КА. Тем самым исходный сигнал пре­образуется непосредственно в изображение или космический снимок, сохра­няется в форматах, удобных для последующих видов обработки.

Следующим этапом является предварительная обработка, цель которой коррекция космических изображений для достижения как можно более правдоподобного отображения земной поверхности. Она включает в себя радиометрическую калибровку, геометрическую коррекцию и представление изображения в необходимой географической проекции (геокодирование).

Радиометрическая калибровка позволяет учесть ряд факторов, влияю­щих на качество формирования изображения, связанных в частности с влия­нием атмосферы на пропускание излучения различных участков спектраль­ного диапазона и искажениями, вносимых датчиками и устройствами прие­ма и передачи данных. Так при прохождении через атмосферу электромаг­нитные волны поглощаются и рассеиваются, причиной этого являются: озон, водяной пар, углекислый газ, кислород, метан, пыль, дым. Облака и туманы хорошо видно на фоне воды, так как в красном и ИК участках спектра по­верхность воды по оптическим характеристикам близка к абсолютно черному телу. Поэтому содержание в атмосфере водяного пара и аэрозолей (дыма) можно оценить по снимкам, включающим участки морей и океанов. Суще­ствуют математические методы построения моделей состояния атмосферы с учетом типов рассеяния в атмосфере, времени года, метеорологических дан­ных. Для уточнения таких моделей используют наземные измерения отража­тельной способности объектов во время полета спутника.

Геометрическая коррекция предназначена для устранения искажений, вызванных кривизной и вращением Земли, а также углом наклона орбиты спутника к плоскости экватора. Геометрические искажения снимков, вы­званные кривизной поверхности Земли, получаются в результате того, что точки сканируемой местности не лежат в одной плоскости и наблюдение ве­дется не в надире, а под углом к поверхности земли. Поэтому при удалении от центральной линии сканирования искажение формы и размера объектов увеличивается. Этим типом искажения можно пренебречь, если угол обзора датчика невелик.

Для снимков, полученных оптико-механическим сканером (например, MODIS, AVHRR, ETM, Aster), масштаб при удалении от центральной линии снимка становится мельче. То есть, пиксель центральной области снимка будет отображать меньшую площадь земной поверхности, чем пиксель из боковой области, хотя размер их одинаков, что необходимо учитывать при обработке.

Неровности рельефа вызывают те же искажения, что и кривизна поверх­ности Земли, но их сложнее учитывать. Следует отметить, что поскольку космические снимки делают с большой высоты, то в некоторых случаях вли­яние форм рельефа может быть незначительно, за исключением горных об­ластей.

Как правило, данные ДЗ распространяются в общедоступных растровых форматах хранения. Это объясняется тем, что в большинстве случаев они представляют собой картографически привязанные изображения и для их использования уже не нужна специфическая информация.

Тематическая обработка включает цифровой анализ изображений с применением разных математических методов. Один из распространенных подходов это классификация — тематическая обработка, которая позволяет производить автоматизированное разбиение снимков на однородные по ка­кому-либо критерию области (классы объектов). Получающееся при этом изображение называется тематической картой. Поскольку обычно выделяют содержательно интерпретируемые классы объектов, то классификацию мож­но рассматривать как процедуру автоматизированного дешифрирования ДДЗ. Процедура классификации основывается чаще всего на статистическом ана­лизе различных характеристик изображения: пространственных, спектраль­ных или временных. К простейшим полезным пространственным характери­стикам относятся: текстура, форма и структурные соотношения. Под времен­ными характеристиками следует понимать сезонные изменения земных по­кровов (особенно растительности), которые могут служить их индикаторами. Однако принято считать, что основную информацию о природе объектов на земной поверхности содержат их спектральные характеристики. Поэтому в большинстве известных алгоритмов классификации используются спек­тральные образы типов покрытий.

При недостаточности спектральных признаков для выделения типов подстилающей поверхности используют дополнительные наборы признаков: текстурные характеристики изображения, главные компоненты как линейно независимые комбинации исходных спектральных каналов, другие расчетные характеристики в виде индексов (например, вегетационный индексы и др.).

Оцените статью
Кислород
Добавить комментарий