Способ прогнозирования заморного состояния в водоеме Советский патент 1992 года по МПК A01K63/00 A01K61/00 

Изобретение относится к рыбоводству и может быть использовано при выборе водоемов для разведения рыбы, районов разведения марикультуры в прибрежной части морских водоемов и для контроля безопасности условий в местах разведения бентос- ных и придонных организмов

Известны способы прогнозирования за- морного состояния, касающиеся определения предзаморного состояния в водоемах, где оценка производится по содержанию кислорода, численности микроорганизмов, количеству фитопланктона, содержанию легкоокисляющихся фракций органического вещества, биохимическому потреблению кислорода, или величине рН на поверхности водоема и у дна.

Однако критерии, свидетельствующие о наличии предзаморного состояния, являются предельными величинами характеристик, при которых неизбежно проявляется дефицит кислорода в воде, т е они характеризуют стадию начала замора Кроме того, оценку осуществляют определением указанных характеристик лишь в воде и потенциальным источником замора считают

компоненты воды и условия-, сложившиеся в воде.

Наиболее близким к предлагаемому является способ прогнозирования заморного состояния, предусматривающий измерение физико-химических показателей с последующим составлением прогноза по напряженности кислородного режима путем сравнения полученных величин в пробе воды у дна и на поверхности воды с заранее установленными предельными значениями этого соотношения по Ёеличине активной реакции водородных ионов (рН), гцэи этом предельное значение рН пов /рН у дна устанавливают 1,05.

Недостатком способа является его неприменимость для глубоководных, соленых и морских водоемов с различным составом и свойствами вод в различных слоях, имеющих сложную стратификацию и подвижность водных масс по вертикали и горизонтали. Недостатком способа является также неточность оценки, обусловленная тем, что, он не учитывает состояние донных осадков, отражающих предысторию развития биологических процессов в водоеме накопление загрязнений в воде и осадках и

воздействие донных осадков на условия в придонной воде. Данный способ позволяет прогнозировать возникновение замора лишь за 1-2 сут до его начала, как и другие известные способы.

Цель изобретения - расширение области применения способа и повышение точности оценки.

Поставленная цель достигается тем, что в способе прогнозирования заморного состояния в водоеме, предусматривающем измерение физико-химического параметра и составление прогноза заморного состояния по величине измеренного параметра, в качестве физико-химического параметра используют окислительно-восстановительный потенциал Eh, величину Eh измеряют в слое донного осадка глубиной до 10 см, а составление прогноза заморного ссГстсГяния водоема осуществляют по характеру пространственного распределения величины Eh в данном слое осадка, при этом, неизбежность ежегодного замора прогнозируют при величине Eh меньше -50 мВ в слое осадка глубиной 0-5 см; неизбежность периодических заморов прогнозируют при величине Eh менее -50 мВ в слое-осадка от 5 до 10см; возможность возникновения замора прогнозируют при величине Eh от -50 мВ до 0 мВ в слое осадка 5-10 см, а в случае величины Eh больше 0 мВ в слое осадка глубиной до 10 см возникновение замора в водоеме в течение календарного года не ожидают.

На фиг. 1-6 показан способ прогнозирования запорного состояния в водоеме.

Сущность способа заключается в том, что величины Eh и их пространственное распределение в осадке описывают напряженность окислительно-восстановительных условий в осадке, на границе осадок - вода и отражают условия в придонной воде, а также уровень диагенетического преобразования осадка и способность его генерировать восстановленные соединения, включая сероводород, в толще осадка и способность осадка, его самого верхнего слоя, препятствовать выходу сероводорода из осадка в воду. Минимальное содержание и дальнейшая убыль кислорода у дна, а также возможность появления сероводорода в воде, т.е. условия, обеспечивающие выделение сероводорода из донных осадков, являются основными показателями, характеризующими приближение замора, и описывающими его возможность. Опасность выхода сероводорода в воду тем больше, чем ниже окислительно-восстановительный потенциал в осадке и чем меньше толщина слоя окисленных осадков, условия в котором поддерживаются под действием рода, поступающего из водной толщи.

Величина Eh больше +150 мВ на поверхности осадка свидетельствует о наличии

кислорода в придонной воде, при этом Eh в воде также превышает +150 мВ. Величины Eh около +500 мВ в верхнем слое осадка отражают высокое содержание кислорода в воде. Эти условия характеризуют отсутст0 вне замора. Величины Eh меньше +150 мВ в придонной воде и Eh меньше -50 мВ на поверхности осадка свидетельствует о наличии сероводорода в придонной воде и о протекании замора.

5 Для предсказания заморов важно знать величину Eh на поверхности осадка и на определенной глубине осадка. Известно, что глубина прямой диффузии кислорода из придонной воды в осадки с активными про0 цессами не превышает 2 см. Небольшая толщина слоя окисленных и слабовосстановленных осадков (с Eh больше +150 мВ) - от тонкой пленки до 5 см - над сильновосстановленными осадками с Eh меньше -50

5 мВ, содержащими, как известно, растворенные сульфиды и сероводород, свидетельствует о крайне неустойчивом состоянии экосистемы верхнего слоя осадков, возможности понижения содержания кислорода в

0 результате его потребления в наиболее неблагоприятные периоды, в конце летнего сезона и в конце зимнего сезона, в период уменьшения активности динамики вод. При уменьшении кислорода в придон5 ной воде по любой из причин или активации анаэробных процессов тонкий слой осадка насыщается восстановленными соединениями, а затем и сероводородом, и сам начинает активно генерировать восстанов0 ленные соединения и сероводород, которые диффундируют в воду и усиливают дефицит кислорода у дна, что ежегодно приводит к проявлению замора. Если Eh меньше -50 мВ в слое осадка 0-2 см, то замор отличается

5 продолжительностью с выделением больших количеств сероводорода с серьезными последствиями для обитателей водоема.

При Eh менее -50 мВ на глубине осадка в слое 5-10 см возможно проявление пери0 одических заморов в случае колебания уровня загрязнения, аномальных погодных условий или действия других факторов, приводящих к активизации биологических процессов в воде и нарастанию потребления

5 кислорода в течение длительного времени, к активизации анаэробных процессов в осадках по сравнению с Другими сезонами, что может привести к восстановлению осадка и выделению сероводорода. Установлено, что в районах с периодическими

заморами толщина слоя окисленных осадков с микроээрофильными условиями (Eh более 0 мВ) над сильновосстаиовленными осадками с Eh менее -50 мВ, содержащими сероводород, превышает 5 см. Этот слой сдерживает диффузию сероводорода с глубины осадка при достаточном содержании кислорода в воде или восстанавливается в условиях понижения содержания кислорода в воде, что приводит к проявлению замора в отдельные годы.

Величины Eh меньше 0, но более -50 мВ на глубине 5-10 см характерны для осадков на участках водоемов, где не было заморов, но которые прилегают к участкам с ежегодными заморами. Условия в этих осадках яв- .ляются крайне неустойчивыми вследствие полного исчерпания в слое 5-10 см буферной емкости осадка к восстановленным соединениям серы. При незначительном нарастании загрязнения и уменьшении содержания кислорода у дна происходит активизация биогеохимическмх процессов в осадке, возрастает степень их восстанов- ленности, что приводит к появлению сероводорода на меньшей глубине, создаются условия, при которых возможен замор в течение календарного года.

Величины Eh больше 0 в слое осадка 0-10 см свидетельствуют о том, что на данном участке водоема низкая биологическая продуктивность, низкий уровень загрязнения в воде и не бывает дефицита кислорода. Эти осадки накапливают малые количества органических веществ, являются окисленными (Eh более +400 мВ), слабоокисленными (Eh менее +400 мВ, но более ИБО мВ) или слабовосстановленными (Eh менее +150, но более 0 мВ). По теоретическим данным в донных осадках при Eh больше О отсутствует свободный сероводород, следовательно, нет опасности выхода его в воду. Высокие значения Eh свидетельствуют о низком уровне биогеохимических, в том числе микробиологических процессов, что обычно связано с низким уровнем поступления органического вещества в осадок из водной толщи. Такие осадки не могут приводить ни к значительному потреблению кислорода из воды у дна, ни к выбросу сероводорода. При нарастании загрязнения они длительное время могут способствовать выведению загрязнений из водной толщи в осадок. Эти условия гарантируют невозможность возникновения замора в течение календарного года.

Измерение Eh в верхнем слое осадков проводят либо на ионометре,или рН-метре- вольтметре после отбора осадка-дночерпа-

телем, либо непосредственно в водоеме дистанционным датчиком.

Пример 1. Отбирают пробу осадка с морского днз дночерпателем на глубину 10 см в холодный период (декабрь) в момент обогащений придонной воды кислородом. В полученной колонке осадка измеряют величину окислительно-восстановительного потенциала Eh на поверхности и через 1-2 см

0 по глубине осадка путем погружения стандартных Pt-электродов и электрода сравнения (KCI-электрода) на глубину 1 ск в боковую поверхность колонки осадка и после выдержки последних в осадке в течение

5 2-5 мин. По результатам измерений величин Eh строят график вертикального распределения (фиг.1).

Получают следующее распределение величины Eh по вертикали колонки: на по0 верхности осадка Eh +280 мВ, на глубине

. 2 см Eh -80 мВ, на глубине 6 см Eh -160

мВ, на глубине 10 см Eh -200 мВ. Как

следует из фиг.1, толщина слоя окисленных

осадков и осадков с микроаэрофильными

5 условиями не превышает 1 см. Под этим слоем залегают смльновосстановленные осадки, которые содержат много восстановленных соединений. Прогнозируют неизбежность ежегодного замора. Установ0 лено, что при Eh менее -50 мВ на глубине 0-2 см в водоеме происходят заморы каждый год.

В данный период при использовании способа-прототипа нельзя обнаружить

5 предзаморное состояние водоема, так как процессы, затрагивающие равновесие в карбонатной системе воды, такие как фотосинтез и деструкция органических веществ ооды, крайне низки и не приводят к резкому

0 изменению рН, т.е. согласно теоретическому обоснованию известного способа К будет меньше 1. При этом содержание кислорода достигает у дна и на поверхности максимального уровня.

5 П р и м р р 2. Измеряют Eh непосредственно в осадке переносным милливольтметром у берега озера в конце осеннего периода во время максимального насыщения придонной воды кислородом перед за0 мерзанием. Получают величину Eh на поверхности осадка равную + 130 мВ, на глубине 2 см - 0 мВ, на глубине 4 см - -50 мВ и на глубине 5 см - -100 мВ (фиг.2). Прогнозируют неизбежное прояв5 ление ззмора в течение каждого года. Установлено химическим анализом, что в слое осадка 4-5 см присутствует свободный сероводород.

Пример 3. Способ осуществляют, как о примере 1. Получают следующее распределение величины Eh по вертикали колонки (фиг.З): Eh на поверхности осадка - +470 мВ, на глубине 2 см - +240 мВ, на глубине 5 см - О мВ, на глубине 6 см - -60 мВ, на глубине 10 см - -80 мВ, на глубине 14 см - -120 мВ, толщина слоя окисленных осадков и осадков с микроаэрофильными условиями составляет 5 см. Констатируют, что Eh меньше -50 в слое осадка 5-10 см. Это свидетельствует о неизбежности периодических заморов при неблагоприятных условиях.

Пример 4. Отбирают пробы из верхнего слоя осадков в пресноводном водоеме в осенний период в момент максимального обогащения воды кислородом трубкой из оргстекла 9 см. Измерения проводят Pt-точеч- ным электродом. Получают следующее распределение Eh (фиг.4): Eh на поверхности осадка - +240 мВ, на глубине 4 см - 0 мВ, на глубине 10 см - -80 мВ, толщина микро- аэрофильного слоя составляет4 см. Величина Eh -50 мВ на глубине 6см свидетельствует о наличии сероводородом в этом слое, причем на глубине 5 см Eh -40 мВ. Данная точка находится в районе с периодическими заморами вблизи района с ежегодными заморами. Прогнозируют большую вероятность проявления замора.

При проведении модельного эксперимента в пробе осадка и воды, отобранной в той же точке водоема, после прекращения доступа в нее кислорода воздуха на вторые сутки был потреблен кислород и начался замор, что подтверждает неизбежность возникновения замора при сезонных изменениях условий, например, при замерзании водоема.

Пример 5. Способ осуществляют, как в примере 1. Получают следующее распределение величины Eh по вертикали колонки (фиг.5): Eh на поверхности осадка +500 мВ. Eh в случае 10 см составляет от +320 до 420 мВ, толщина слоя окисленных и слабовосстановленных осадков больше 12 см. Прогнозируют невозможность возникновения замора в течение года и в последующие годы, если в водоеме не будет значительно нарастать уровень загрязнения. Наблюдения за данным эайоном показывают, что он находится вдали от зоны массового развития фитопланктона и здесь никогда не было отмечено заморов.

Пример 6. Способ осуществляют, как в примере 4, измерение проводят в пресноводном водоеме в летний период. Получают следующее распределение Eh (фиг.б): на поверхности осадка - +300 мВ, на глубине 5 см - +220 мВ и на глубине 10 см - +140 мВ. Величины Eh показывают наличие кислорода в придонной воде и в верхнем слое

осадка, а также отсутствие сильновосстановленных условий в слое до 10 см, ч го свидетельствует об отсутствии сероводорода и слабом потреблении кислорода у дна Прогнозируют невозможность проявления замора на данном участке водоема в течение календарного года.

Таким образом, предлагаемый способ прогнозирования заморного состояния в во0 доемах применим для всех водоемов, в том числе для морских и больших пресноводных водоемов, имеющих сложную стратификацию и подвижность водных масс по горизонтали и вертикали и где трудно или даже

5 невозможно использовать известные способы прогнозирования заморов по состоянию водной толщи, в том числе способ-прототип. Предлагаемый способ является значительно более точным по сравнению со спосо0 бом-прототипом и другими известными способами и позволяет предсказывать возникновение замора задолго до его проявления, так как через величину окислительно-восстановительного потенциала Eh в

5 воде и осадках, прямо или косвенно связанную с физико-химическими свойствами и составом воды и осадков, со скоростью биогеохимических процессов, а также с численным и видовым составом макро- и мик0 роорганизмов, учитывают состояние донных осадков, определяющее вероятность и сроки возникновения заморного состояния.

Кроме того, предлагаемый способ отличается простотой, малой трудоемкостью и

5 не требует значительных затрат времени, особенно при использовании для измерения Eh выносного дистанционного датчика.

Формула изобретения

0 Способ прогнозирования заморного состояния в водоеме, предусматривающий измерение физико-химического параметра и составление прогноза заморного состояния по величине измеренного параметра,

5 отличающийся тем. что, с целью расширения области применения способа и повышения точности оценки, в качестве физико-химического параметра используют окислительно-восстановительный потенци0 ал Eh, величину которого измеряют в верхнем слое донного осадка на нескольких уровнях глубиной до 10 см, а составление прогноза заморного состояния водоема осуществляют по характеру пространст5 венного распределения величины Eh в слое осадка, при этом неизбежность ежегодного замора прогнозируют при Eh -50 В в слое осадка глубиной до 5 см, неизбежность периодических заморов прогнозируют при Eh -50 мВ в слое осадка 5-10 см.

возможность возникновения замора про- ной до 10 см возникновения замора в водо- гнозируют при Eh -50 - 0 мВ в слое осадка еме в течение календарного года не ожида- 5-10 см, в случае Eh 0 в слое осадка глуби- ют.

Применение: прогнозирование замор- ного состояния в водоемах Сущность изобретения верхнем слое донного осадка измеряют величину Eh на нескольких уровнях глубиной до 10 см. Составление прогноза за морного состояния осуществляют по величине и характеру пространственного распределения величины Eh в слое осадка 6 ил

-300 -200 -100 0 +100 +200 +300 +400 +500 Eh мв

L2

10

h см

Фиг. 1

-300 -200 -100 0 +100+200 +300 +400 +500 Eh мв

10 h см

Фиг.2.

-300 -200 -100 0 +100+200 +300 +400 +500 Eh мв

ло

h см

Фиг.З

-300 -200 -100 0/ +100 +200 +300 +400 +500 Eh MB

-300 -200 -100

.10

11 h см

Фиг 4

О + 100 + 200 +100 +400 + 500 Eh MB

-300 -200 -100

10

h см

Фиг 5

О +100 +200 +300 +400 +500 Eh мв