Научный журнал
Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований

ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,686

СИСТЕМА МОНИТОРИНГА ГИДРОФИЗИЧЕСКИХ И ГИДРОХИМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ОЗЕРА БАЙКАЛ

Макаров М.М. 1 Кучер К.М. 1 Асламов И.А. 1 Петров И.А. 2
1 ФГБУН «Лимнологический институт» Сибирского отделения Российской академии наук
2 ФГБУН «Иркутский научный центр» Сибирского отделения Российской академии наук
Представлен опыт создания системы экологического мониторинга, включающий в себя: подсистему сбора и обработки параметров водной среды озера Байкал и атмосферы; подсистему передачи данных в режиме реального времени по беспроводным каналам связи; подсистему хранения и визуализации с открытым доступом. В настоящее время в систему экологического мониторинга входит сеть автоматических гидрометеорологических станций, расположенных в Южной, Средней и начале Северной котловины озера Байкал. Все станции работают в автоматическом режиме, запитаны от солнечных батарей, собирают данные и передают их в центр сбора, хранения и визуализации данных через сотовую сеть по каналам GPRS. Любой пользователь сети Интернет может зайти на веб-страницу системы экологического мониторинга и просмотреть доступные данные за выбранный интервал времени. Интеграция в существующую систему зонда качества воды позволила значительно расширить список измеряемых параметров гидрохимическими показателями и может со временем дать новую информацию для понимания причин развивающегося экологического кризиса на озере Байкал. Разработанная система актуальна для ведомственных служб, таких как: МЧС, ГидроМет, РусГидро, и может быть источником дополнительной информации для принятия оперативных решений.
экологический мониторинг
гидрофизические процессы
сейшевые колебания
оз. Байкал
1. Павлов Д.С., Стриганова Б.Р., Букварева Е.Н. Экологоцентрическая концепция природопользования // Вестник РАН. 2010. № 80 (2). С. 131–140.
2. Soliveres S., Smit C., Maestre F.T. Moving forward on facilitation research: response to changing environments and effects on the diversity, functioning and evolution of plant communities. Biol Rev Camb Philos Soc. 2015. № 90 (1). Р. 297−313. DOI: 10.1111/brv.12110.
3. Chan K.M., Balvanera P., Benessaiah K., Chapman M., Díaz S., Gómez-Baggethun E., Gould R., Hannahs N., Jax K., Klain S., Luck G.W., Martín-López B., Muraca B., Norton B., Ott K., Pascual U., Satterfield T., Tadaki M., Taggart J., Turner N. Opinion: Why protect nature? Rethinking values and the environment. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2016. № 113 (6). Р. 146–125.
4. Федеральный закон «Об охране озера Байкал» (№ 94-ФЗ от 01.05.1999).
5. Тимошкин О.А., Бондаренко Н.А., Волкова Е.А., Томберг И.В., Вишняков В.С., Мальник В.В. Массовое развитие зелёных нитчатых водорослей родов Spirogyra Link и Stigeoclonium Kutz. (CHLOROPHYTA) в прибрежной зоне Южного Байкала // Гидробиологический журнал. 2014. № 5. С. 15–26.
6. Деникина Н.Н., Дзюба Е.В., Белькова Н.Л., Ханаев И.В., Феранчук С.И., Макаров М.М., Гранин Н.Г., Беликов С.И. Первый случай заболевания губки Lubomirskia baicalensis: исследование микробиома // Известия РАН. Серия биологическая. 2016. № 3. С. 315–322. DOI: 10.7868/S0002332916030024.
7. Water quality profiler with fast optical DO sensor. JFE Advantech [Электронный ресурс]. URL: http://www.jfe-advantech.co.jp/eng/ocean/pdf/AAQ-RINKO(E)_201607.pdf (дата обращения: 01.09.2018).
8. Vantage Pro2 Specification Sheets // Davis Instruments [Электронный ресурс]. URL: https://www.davisinstruments.com/product_documents/weather/spec_sheets/6152_62_53_63_SS.pdf (дата обращения: 12.10.2018).
9. Паршин A.B., Руш Е.А., Спиридонов A.M. Автоматизация процесса обеспечения экологического мониторинга озера Байкал с применением современных ГИС и WEB технологий // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2011. № 1. С. 82–87.
10. Смирнов С.В., Кучер К.М., Гранин Н.Г., Стурова И.В. Сейшевые колебания Байкала // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2014. Т. 50. № 1. С. 105–116. DOI: 10.7868/S000235151305012Х.
11. Гранин Н.Г., Радзиминович Н.А., Кучер К.М., Чечельницкий В.В. Генерация колебаний уровня озера Байкал удаленными сильными землетрясениями // Доклады Академии наук (Науки о земле). 2014. Т. 455. № 2. С. 224–228.

Охрана окружающей среды и рациональное природопользование являются одной из приоритетных фундаментальных научных проблем. Экологическая доктрина Российской Федерации одобрена распоряжением Правительства РФ от 31 августа 2002 г. № 1225-р. Современный экологический кризис ставит под угрозу возможность устойчивого развития человеческой цивилизации, поскольку дальнейшая деградация природных систем ведет к дестабилизации биосферы, утрате ее целостности и способности поддерживать качества окружающей среды, необходимые для жизни человека. Биоразнообразие является важнейшим фактором функционирования экосистем и многочисленные исследования показали, что снижение видового разнообразия в сообществах ведет к деградации их экосистемных функций [1–3]. Согласно текущему законодательству, экологический мониторинг должен поддерживаться научными исследованиями и служить навигатором объектов экологического контроля [4].

В последние годы рядом исследователей отмечаются характерные признаки экологического кризиса в прибрежной зоне озера Байкал [5]. Кризис характеризуется массовым развитием зеленых нитчатых водорослей (Spirogira Link) и массовым заболеванием и гибелью эндемичных губок (Lubomirskia baikalensis) [6]. Губки являются превалирующими видами макрозообентоса литорали и играют огромную роль в поддержании чистоты вод прибрежной зоны. Гибель этого вида может иметь катастрофические последствия для экологии уникального озера и биоразнообразия озерной экосистемы.

Развитие систем онлайн-мониторинга различных параметров водного экологического баланса, таких как температура воды, солнечная радиация, ветровой режим, химические и биогенные компоненты и т.д., может дать дополнительную информацию для понимания причин развивающегося экологического кризиса на озере Байкал. Особенно, если такие системы будут работать автономно, в круглосуточном режиме, и передавать данные в ситуационный центр, для принятия оперативных решений. Таким образом, целью работы являлась разработка и реализация системы онлайн-мониторинга гидрофизических, гидрологических и метеорологических параметров Байкальской экологической зоны.

Материалы и методы исследования

Автономный онлайн-комплекс разработан сотрудниками лаборатории гидрологии и гидрофизики Лимнологического института СО РАН. Комплекс предназначен для сбора и передачи в режиме реального времени гидрологической, гидрохимической и метеорологической информации по беспроводным каналам связи на удаленный интернет-сервер.

Комплекс состоит из подводного кластера (гидрофизические и гидрохимические датчики, датчик уровня воды), берегового кластера (метеорологические датчики, система сбора, хранения и передачи данных) и серверного кластера (база данных и WEB интерфейс доступа к данным) (рис. 1). Подводный гидрофизический кластер выполнен на базе мониторингового зонда качества воды AAQ177 Rinko (JFE Advantech, Япония) [7], а также датчика уровня воды (разработки лаборатории гидрологии и гидрофизики ЛИН СО РАН).

mak1.tif

Рис. 1. Структура мониторингового комплекса

Измеряемые параметры, точность и их разрешающая способность (параметры помечены индексом: 1 – JFE Advantech, 2 – Davis Instruments, 3 – ЛИН СО РАН)

Измеряемый

параметр

Диапазон измерения

Разрешение

Точность

Время отклика

Глубина1

0–100 м

0,002 м

±0,3 % Полной шкалы

0,2 с

Температура воды1

–3–45 °C

0,001 °C

±0,01 °C (0–35 °C)

0,2 с

Электропроводность1

0–2000 µS cm-1

0,1 µS cm-1

±2 µS cm-1 (0 to 200µS cm-1)

0,2 с

Взвешенное вещество1

0–1,000 FTU

0,03 FTU

±0,3 FTU или ±2 %

0,2 с

Хлорофилл1

0–400 ppb

0,01 ppb

±1 % Полной шкалы

0,2 с

Растворенный кислород1

0–20 mg L-1 (0–200 %)

0,001–0,004 mg L-1

±0,4mg L-1 (±2 % Полной шкалы)

0,4 с

Фотосинтетически активная радиация в воде1

0–5,000 µmol m-2s-1

0,1

µmol m-2s-1

±4 %

0,2 с

Водородный показатель1

2–14 pH

0,01 pH

±0,2 pH

10 с

Окислительно-восстановительный потенциал1

0 – ±1,000 мВ

0,1 мВ

10 с

Атмосферное давление2

420–820 мм рт. ст.

0,1 мм рт. ст.

1,3 мм рт. ст.

1 с

Влажность воздуха2

0–100 %

1 %

0–100 %

1 с

Количество осадков2

0–999,9 мм

0,25 мм

4 %

1 с

Температура воздуха2

–40 – +65 °C

0,1 °C

0,5 °C

1 с

Направление ветра2

0–360 °

1 °

0,3 %

1 с

Скорость ветера2

0,5–89 м/с

0,4 м/с

5 %

1 с

Приходящая солнечная радиация2

0–1800 Вт/м2

1 Вт/м2

5 %

1 с

Индекс UV2

0–16

0,1

8 %

1 с

Уровень воды3

0–6 м

0,5 мм

1 %

1 с

Береговой кластер разработан в ЛИН СО РАН и обеспечивает опрос метеорологических датчиков Vantage Pro 2 (Davis Instruments, США) [8] и подводного кластера, с дальнейшей передачей измеренных параметров в центр обработки данных через сотовую сеть по каналам GPRS. Серверный кластер обеспечивает получение, систематизацию, хранение и удаленный доступ к накопленным данным с сети мониторинговых станций. WEB-интерфейс, реализованный на сервере, позволяет просматривать и сравнивать любые доступные параметры за выбранный период времени. Реализована возможность работы с данными в отложенном режиме, для этого необходимо выбрать набор интересующих данных и интервал времени, после чего система позволит загрузить их на компьютер в виде упакованного архива. Все полученные данные находятся в свободном доступе по адресу www.hydro.lin.irk.ru.

Список гидрофизических, гидрохимических и метеорологических параметров, измеряемых онлайн-мониторинговым комплексом, представлен в таблице. Они могут быть изменены путем добавления в состав комплекса дополнительных датчиков.

Нужно отметить несколько особенностей данного комплекса:

1. Сетевая архитектура. Серверный кластер может получать и обрабатывать данные одновременно от большого количества береговых станций.

2. Наличие встроенного GSM терминала позволяет в режиме реального времени передавать данные на сервер. При отсутствии в районе установки станции сетей сотовой связи предусмотрена возможность подключения спутникового терминала или работы в полностью автономном режиме, с сохранением собранных данных на сменной энергонезависимой карте памяти типа SD.

3. Встроенная карта памяти отформатирована в FAT32, поэтому записанные данные могут быть считаны из любой операционной системы без использования специализированных программ.

4. Для синхронизации времени в устройстве интегрирован приемник географических координат (ML8088s производства ООО «НАВИА» Россия), обеспечивающий привязку к атомным часам спутников ГЛОНАСС и GPS. Интегрированный приемник сигналов ГЛОНАСС сопровождает измеряемые параметры метками точного времени, что позволяет анализировать изменения пространственно разнесенных параметров в единой временной шкале.

5. Автономность. Береговой и подводный кластер питаются от свинцового аккумулятора напряжением 12В. Заряд производится от солнечной панели мощностью 30 и более Вт. В схему питания интегрирован контроллер заряда, поддерживающий оптимальное зарядное напряжение в зависимости от температуры аккумуляторов, и обеспечивающий их защиту от перезаряда и глубокого разряда, что существенно продлевает срок службы аккумуляторов.

Вышеперечисленные особенности позволяют полностью отказаться от береговой инфраструктуры, и позиционируют комплекс как полностью автономный. Малые габариты, антивандальный утепленный корпус позволяет размещать бокс с оборудованием на метеомачте. Наличие в устройстве внешних I2C и COM портов, а также резервных аналоговых каналов, открывает возможности ее гибкого расширения: оснащения дополнительными датчиками, подключения внешнего оборудования.

Результаты исследования и их обсуждение

В настоящее время гидрохимические наблюдения за акваторией озера Байкал осуществляет подразделение Министерства природных ресурсов РФ – ФГУ «Востсибрегионводхоз». Главным инструментом этой организации является судно «Исток», несущее на себе программно-аппаратный комплекс «Акватория Байкал – 2», позволяющий осуществлять непрерывные измерения гидрохимических и гидрофизикохимических параметров водной среды по четырнадцати показателям в процессе движения судна [9]. Однако такие измерения проводятся эпизодично в нескольких экспедициях за один навигационный период.

Использование онлайн-мониторингового комплекса позволит получать непрерывные ряды данных основных параметров воды литоральной зоны в течение всего года. На данный момент в разработанную систему экологического мониторинга входит сеть станций, состоящая из пяти пунктов, расположенных в Южном, Среднем и Северном Байкале (рис. 2), зеленые ромбы. Станции, оснащенные метеорологическими датчиками и измерителями уровня озера. Благодаря разработанному датчику уровня озера, входящему в состав комплекса, измерение колебаний уровня производятся с высоким разрешением по амплитуде (0,5 мм) и частоте (1 Гц), что на порядки превышает точность измерения уровня на постах Росгидромета, где измерения проводятся по стандартной схеме, дважды в сутки, с точностью по амплитуде не более 1–2 см.

mak2.tif

Рис. 2. Расположение установленных (зеленые ромбы), и планируемых к установке (красные треугольники) станций экологического мониторинга на оз. Байкал

Результаты измерений с развернутой сети онлайн-мониторинговых станций и их интеграция в одну систему, охватывающую весь Байкал, позволили изучать пространственную изменчивость колебаний уровня, выполнять как более качественное и надежное разделение разночастотных колебаний уровня, так и более достоверную интерпретацию полученных результатов. В частности, был проведен детальный анализ амплитуд сейшевых колебаний Байкала и их сезонной изменчивости [10]. Благодаря высокой частоте и точности измерений уровня впервые были выявлены отклики уровня Байкал на сильные удаленные землетрясения, выражающиеся в генерации квазипериодических колебаниях уровня с периодами от 1 до 2 мин, что значительно меньше периодов поперечных и тем более продольных сейш [11].

В 2018 г. станция, установленная на пирсе ЛИН СО РАН в п. Листвянка, была оснащена подводным зондом AAQ177 Rinko с гидрохимическими и гидрофизическими датчиками, которые позволят выявить сезонные изменения растворенного кислорода, водородного показателя, окислительно-восстановительного потенциала, фотосинтезирующей радиации и других показателей в литоральной части озера. Такого набора параметров достаточно, чтобы судить о качестве воды и отслеживать ее изменения в течение года.

Заключение

Разработана система мониторинга гидрофизических и гидрохимических параметров озера Байкал. Изготовлено и установлено пять станций онлайн-мониторинга, позволяющих получать непрерывные ряды данных основных параметров воды литоральной зоны. Получаемые данные находятся в открытом доступе, интерфейс сервера позволяет как оперативно визуализировать полученные данные, так и выгружать данные для последующего анализа в табличном формате. В дальнейшем планируется расширение сети мониторинговых станций, планируемые места их установки обозначены на рис. 2 красными треугольниками. Также планируется их дооснащение зондами качества воды.

Экономическое преимущество разработанных мониторинговых станций заключается в их неприхотливости, не требующей дополнительного обслуживания со стороны человека. Питание от солнечных батарей позволяет полностью исключить затраты на их энергообеспечение, а расходы на передачу данных через сотовые каналы связи не превышают 1000 рублей в год на одну станцию.

Работа выполнена при поддержке Интеграционной программы ИНЦ СО РАН «Фундаментальные исследования и прорывные технологии как основа опережающего развития Байкальского региона и его межрегиональных связей» (2018–2021 гг.).


Библиографическая ссылка

Макаров М.М., Кучер К.М., Асламов И.А., Петров И.А. СИСТЕМА МОНИТОРИНГА ГИДРОФИЗИЧЕСКИХ И ГИДРОХИМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ОЗЕРА БАЙКАЛ // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2018. – № 12-1. – С. 120-124;
URL: http://applied-research.ru/ru/article/view?id=12533 (дата обращения: 23.05.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252