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).
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.
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.).