Фиксация загрязнений водной поверхности дистанционными методами

Фиксация загрязнений водной поверхности дистанционными методами

Российский Государственный Гидрометеорологический Университет

Курсовая работа

Предмет: Методы и средства ГМИ

Тема: «Фиксация загрязнений водной поверхности дистанционными методами»

Выполнила:

студентка гр. О-236

Иванова Анна

г

Введение

Проблема защиты окружающей среды от загрязнений, в наши дни является международной проблемой: количество вредных веществ, которые попадают в атмосферу и океан, зачастую превосходят допустимые пределы.

На первом месте среди веществ, загрязняющих среду и в особенности океан, находится нефть и продукты ее переработки. Это один из наиболее серьезных источников загрязнений поверхностных вод.

Актуальность выбранной темы обусловлена тем, что первоочередной задачей, стоящей перед человечеством, является изучение и освоение Мирового океана, который занимает 70,8% земного шара.

С древнейших времен человек использует ресурсы океана, именно они обуславливают развитие современной океанологии - совокупности дисциплин, изучающих различные аспекты природы Мирового океана: физические, химические, биологические, геологические.

Поэтому объектом исследования будут являться дистанционные методы фиксации загрязнений водной поверхности.

Данная тема достаточно широко освещена в специальных литературных источниках.

Вода - самое распространенное неорганическое соединение на нашей планете и является ценнейшим природным ресурсом. Большая часть воды сосредоточена в морях и океанах. А большая часть пресных вод (85%) сосредоточена во льдах полярных зон и ледников. Возобновление пресных вод происходит в результате круговорота воды. Дефицит пресной воды уже сейчас становится мировой проблемой. Все более возрастающие потребности промышленности и сельского хозяйства в воде заставляют все страны, ученых мира искать разнообразные средства для решения этой проблемы.

И, поэтому, несомненно, очень важно сохранять имеющиеся водные ресурсы от загрязнений. Под загрязнением водных ресурсов понимают любые изменения физических, химических и биологических свойств воды в водоемах в связи со сбрасыванием в них жидких, твердых и газообразных веществ, которые причиняют или могут создать неудобства, делая воду данных водоемов опасной для использования, нанося ущерб народному хозяйству, здоровью и безопасности населения.

Качество воды большинства водных объектов не отвечает нормативным требованиям.

Состояние водных источников и систем централизованного водоснабжения не может гарантировать требуемого качества питьевой воды, а в ряде регионов (Южный Урал, Кузбасс, некоторые территории Севера) это состояние достигло опасного уровня для здоровья человека. Службы санитарно-эпидемиологического надзора постоянно отмечают высокое загрязнение поверхностных вод. Около 1/3 всей массы загрязняющих веществ вносится в водоисточники с поверхностным и ливневым стоком с территорий санитарно неблагоустроенных мест, сельскохозяйственных объектов и угодий, что влияет на сезонное, в период весеннего паводка, ухудшение качества питьевой воды, ежегодно отмечаемое в крупных городах.

Загрязнение поверхностных и подземных вод можно распределить на такие типы:

Химическое - наличие в воде органических и неорганических веществ токсического и нетоксического действия;

Радиоактивное - присутствие радиоактивных веществ в поверхностных или подземных водах;

Тепловое - выпуск в водоемы подогретых вод тепловых и атомных ЭС;

Источниками загрязнения признаются объекты, с которых осуществляется сброс или иное поступление в водные объекты вредных веществ, ухудшающее качество поверхностных вод, ограничивающих их использование, а также негативно влияющих на состояние дна и береговых водных объектов.

Реальную опасность экологическому равновесию в океане представляют следующие формы антропогенного воздействия: загрязнение акваторий; нарушение механизма воспроизводства морских организмов; отторжение берегового и акваториального пространства для хозяйственных целей.

Реки выносят в океан промышленные отходы, сточные воды, сельскохозяйственные удобрения. Водные пространства морей и океанов - конечные вместилища подавляющего большинства отходов. Морские воды загрязняются в результате захоронения различных отходов, удаления нечистот и мусора с кораблей, при исследовании дна морей и океанов и, особенно в результате различных аварий.

К числу наиболее вредных химических загрязнений относятся нефть и нефтепродукты. Ежегодно в океан попадает более 10 млн. т нефти. Загрязняют поверхность танкеры, содействует загрязнению и утечка нефти при подводном бурении. В период между 1973-1984 годами в США Институтом охраны окружающей среды и энергетики отмечено до 12000 случаев загрязнения вод нефтью. В период между 1970-1982 годами в мире зарегистрировано 169 крупных аварий танкеров и 17000 второстепенных случаев разлития нефти.

Обеспокоенность общественности нефтяным загрязнением обусловливается неуклонным ростом экономических потерь в рыболовстве, туризме и других сферах деятельности. Только 1 т нефти способна покрыть до 12 км2 поверхности моря, а нефтяная плёнка нарушает все физико-химические процессы: повышается температура поверхностного слоя воды, ухудшается газообмен, рыба уходит или погибает, но и осевшая на дно нефть долгое время вредит всему живому. Нарушается обмен океана с атмосферой, на поверхности же накапливается вещества-загрязнители.

В связи с этим в нашей стране и во всем мире все большее внимание уделяется защите водных бассейнов от поступления в них нефти и очистке акваторий от нефтяных загрязнений. Был принят закон о запрете сливания остатков нефтепродуктов и промывки танков нефтеналивных судов в портах и открытом море.

С проблемой очистки акваторий теснейшим образом связана проблема их обнаружения. Сейчас разработано несколько методов индикации нефтяных загрязнений на поверхности воды. Однако существующие методы недостаточно эффективны, так как не обеспечивают той оперативности, которая нужна при оценке степени загрязнения. Поэтому необходима разработка более совершенных способов обнаружения.

В работе Богородского и Кропоткина «Дистанционное обнаружение нефтяных загрязнений вод ИК лазером» сделана попытка обобщить накопленные сведения о методах оценки нефтяных загрязнений. И на основе исследования оптических свойств нефтепродуктов и их пленок на воде в инфракрасной (ИК) области спектра, предложить метод активной лазерной локации нефтяных загрязнений.

Влияние нефтяных пленок на физические процессы, происходящие в морях и океанах

Больше всего от нефтяных загрязнений страдают наиболее богатые в биологическом отношении прибрежные воды, где происходит накапливание нефтепродуктов вследствие приливов и ветрового нагона.

Физические свойства нефтепродуктов существенно отличаются от свойств воды. Поверхностное натяжение нефтяной пленки в 3-4 раза меньше поверхностного натяжения воды, поэтому нефтяная пленка воздействует на процесс обмена энергией между различными типами волн. Коэффициент теплопроводности нефтепродуктов в 3-6 раз, а теплоемкость в 1,5-2,5 раза меньше, чем воды. Поэтому пленки нарушают теплообмен между атмосферой и водными массами. Оптические свойства нефтепродуктов - отражательная и излучательная способности - также отличаются от оптических свойств воды. А потому изменяется доля поглощаемой и излучаемой водными массами энергии. Все это, в конечном итоге, пагубно сказывается на условиях жизни в океане и на Земле.

Применяемые методы обнаружения нефтяных загрязнений

Нефтяные загрязнения могут быть обнаружены как контактными, так и дистанционными методами. Однако их индикация связана с определенными трудностями.

Отражательная способность нефти в видимой области спектра близка к отражательной способности воды, поэтому визуально нефтяные загрязнения обнаружить трудно, в особенности с больших дистанций.

а) Контактные методы обнаружения. В настоящее время обнаружение нефтяных загрязнений производится контактными методами. К ним могут быть отнесены традиционные методы, основанные на отборе проб с их последующим физико-химическом анализе. Существенным недостатком методов обнаружения, основанных на отборе проб, является необходимость операции экстрагирования нефтепродуктов из проб воды, что требует большого времени. Оперативность контроля за состоянием нефтяных загрязнений вод может быть существенно увеличена путем внедрения в практику организаций, наблюдающих за состоянием загрязнений различных акваторий, дистанционных методов обнаружения.

Также, к контактным, можно отнести метод плавающего конденсатора. Метод основан на различии диэлектрической проницаемости нефтепродуктов и воды. Емкость такого конденсатора, образованная слоем воды и слоем нефтепродукта, зависит от толщины последнего. Таким методом можно обнаружить пленки нефти толщиной от 0,5 до 6, 5 см, т.е. сразу после разлива, и измерять их толщину с точностью до 0,25 см. Применение этого способа возможно только при отсутствии волнения.

б) Дистанционные методы обнаружения. При дистанционном зондировании должны решаться следующие задачи: обнаружение загрязнений, т.е. установление факта наличий загрязнений; картирование загрязнений, т.е. установление границ загрязненного участка и его площади; определение толщины пленки загрязнения; определение возраста нефтяной пленки; идентификация - определение сорта пролитого нефтепродукта. Результаты картирования и определения толщины пленки позволяют определить объем нефтепродукта, находящегося на поверхности воды, что необходимо для разработки стратегии борьбы с нефтяным разливом. Идентификация же позволяет с учетом возраста пленки определить возможный источник загрязнения.

. Фотографический метод. Максимальный контраст между нефтью и водой наблюдается в областях длин волн короче 0,4 мкм и длиннее 0,6 мкм, в диапазоне же 0,45-0,5 мкм контраст минимален. Поэтому для обнаружения нефтяных загрязнений обычно используется фотографирование в УФ или ИК лучах. Фотографирование в УФ лучах позволяет обнаружить сырую нефть и автотракторное масло. Для обнаружения дизельного топлива, бензина, керосина и других прозрачных нефтепродуктов этот способ непригоден. Не дает особых преимуществ по сравнению с панхроматической фотографией и фотографирование в ИК лучах.

. Также существует метод, основанный на регистрации бортовой самолетной аппаратурой прямого и рассеянного солнечного излучения, отраженного от поверхности воды. В качестве регистрирующего устройства используется спектрорадиометр или дифференциальный радиометр. При применении последнего регистрируется либо разница в интенсивности излучения в двух спектральных интервалах, либо разница в интенсивности излучения в двух спектральных интервалах, либо разница в интенсивности двух взаимно перпендикулярных составляющих отраженного излучения. Максимальный контраст был получен в области длин волн <0,4 и >0,6 мкм. Его недостаток - сильная зависимость от метеорологических условий: обнаружение загрязнений возможно лишь при сплошной облачности (при отсутствии прямого солнечного излучения), а также зависимость от угла возвышения Солнца над горизонтом.

. Метод, основанный на регистрации спектров флюоресценции. Основой является установленный на самолете импульсный азотный лазер, излучающий на длине волны 0,337 мкм (УФ часть спектра) и облучающий водную поверхность. Так же на самолете расположена спектральная аппаратура, регистрирующая спектры флюоресценции, возбуждаемые лазерным излучением. Спектры флюоресценции воды и нефтяных загрязнений различны, кроме того, различны и спектры различных нефтепродуктов. Может быть применении при благоприятных погодных условиях и, по-видимому, лишь в ночное время.

. При радиометрическом методе обнаружения используется различие в спектральных и интегральных излучательных способностях воды и нефтепродуктов. На длине волны 10 мкм (ИК область спектра) спектральный коэффициент излучения чистой воды равен 0,993, а воды, покрытой пленкой нефти - 0,972. В связи с этим радиационная температура нефтяного загрязнения примерно на 1К меньше, чем воды. Радиояркостный контраст загрязненных участков увеличивается при перемешивании воды с нефтью с 2-3 до 8-10 К в результате проникновения в нефтяную пленку мелких капель воды, повышающих эффективную диэлектрическую проницаемость слоя. Данный метод позволяют обнаружить пленки нефтепродуктов толщиной 10-20 мкм практически при любых погодных условиях. Существенное влияние оказывает волнение моря, т.к. при увеличении волнения увеличивается и микроволновое излучение водной поверхности в результате образования пены.

. Также возможно применение активной радиолокации в сантиметровом диапазоне. Особенность заключается в возможности обнаружения загрязнений на большой площади. Однако этот метод имеет худшее пространственное разрешение и обработка полученных результатов сопряжена с серьезными трудностями.

Ни один из описанных выше методов не получил в настоящее время широкого распространения. Поэтому поиски новых, более совершенных методов должны продолжаться.

Дистанционный лазерный метод обнаружения нефтяных загрязнений вод

Теоретический анализ показывает возможность обнаружения нефтяных загрязнений вод океанов и морей методом лазерной локации. Однако для создания такого метода необходимы широкие исследования оптических свойств нефтепродуктов и воды, покрытой их пленками, в ИК области спектра.

Изучение отражательных свойств нефтепродуктов и воды, покрытой пленками нефтепродуктов, в ИК области спектра позволило окончательно установить, что индикация нефтяных загрязнений на поверхности воды может выполняться методом активной лазерной локации с использованием СО2-лазера, излучающего на длине волны 10,6 мкм. Излучение лазера, промодулированное с частотой 20 Гц механическим прерывателем М (вращающийся диск с 3 вырезами), проходит через отверстие в плоском зеркале и направляется им на исследуемую водную поверхность. Отраженное водой излучение зеркалами направляется вверх на сферическое зеркало, в фокусе которого расположен приемник - болометр БСГ-2. Сигнал болометра усиливается и регистрируется селективным усилителем У2-6 и самописцем переменного тока Н-338 или Н-327. Для контроля мощности, излучаемой лазером, используется дополнительный термоэлектрический приемник КП. Устройства испытывались в натуральных условиях на Балтийском море во время рейса НИС «Профессор Визе» в апреле-мае 1974 г. И во время плавания гидрофизического судна «Лаг» в районе Лиепаи в августе 1975г., на р.Неве летом 1975 и 1976г., на Волге и Байкале в июне и сентябре 1978г., на Черном море в районе Новороссийска летом 1979г. Таким образом испытания проводились в течение длительного времени, на различных акваториях, при различных гидрометеорологических условиях, с использованием различных носителей. Все это позволило собрать обширный статистический материал.

Рассматривается также влияние солености и температуры лоцируемой водной поверхности, наличия пены и волнения моря на результаты индикации нефтяных загрязнений предлагаемым методом.

Для изучения состава сложных смесей органических веществ, том числе нефтепродуктов, широко используются методы инфракрасной спектроскопии.

Гониометрические исследования отражательных свойств нефтепродуктов. В гониометрической установке источником служит глобар, нагретый до температуры 1300 К. Излучение глобара длиннофокусным сферическим зеркалом, перемещающимся по специальной дуге, направлялось на поверхность исследуемой жидкости. Изменяя положение сферического зеркала на дуге , можно было варьировать угол падения излучения на исследуемый объект. По той же дуге перемещался радиационный термоэлемент с круглой приемной площадкой диаметром 2 мм. В качестве регистрирующего прибора использовался электронный самописец ЭПП-09, гальванометр М-195/1 или микровольтметр Ф-116. Погрешность гониометрических измерений оценивалась с использованием известных методов статистики.

Спектральные и лазерные исследования оптических свойств нефтепродуктов и их пленок на воде в области длин волн 2 - 25 мкм. Исследования спектрального отражения ряда нефтепродуктов производилось на однолучевом ИК спектрометре.

Оптическая схема спектральных измерений

Для оценки влияния толщины пленки загрязнения d были измерены относительные коэффициенты отражения воды, покрытой пленками нефти различной толщины, на длине волны 10,6 мкм. При d<1:2 мкм пленка прозрачна для излучения. При большей толщине Rотн увеличивается и становится больше, чем Rотн нефти, из-за многократных отражений в пленке. При толщине пленки порядка длины волны (=10 мкм) наблюдался максимум отражения, обусловленный интерференцией. Дальнейшее увеличение толщины пленки приводит к уменьшению ее коэффициента отражения до значения, равного коэффициенту отражения нефти, потому что при d>40 мкм пленка уже непрозрачна для падающего излучения и, следовательно, ведет себя как чистый нефтепродукт. Таким образом, наличие загрязнений существенно изменяет коэффициент отражения водной поверхности.

А) Спектральные измерения. Влияние солености, температуры и наличия пены на оптические свойства воды в ИК области спектра. Исследования показывают, что наличие растворенных солей особенно существенно влияет на оптические свойства воды в области длин волн 8-15 мкм. Присутствие солей приводит к уменьшению коэффициента отражения в зоне длин волн от 11,7 до 20 мкм и к увеличению коэффициента отражения в области длин волн от 8 до 11 мкм.

Для выяснения влияния концентраций солей на отражательные свойства морской воды был изучен спектр отражения искусственной морской воды с концентрацией солей, в три раза превосходящей среднюю концентрацию солей в Мировом океане.

Искусственная морская вода приготовлялась растворением в дистиллированной воде морской соли, предварительно очищенной от нерастворимых примесей. Увеличение концентрации солей привело к более заметному уменьшению коэффициента отражения в области длин волн 11,7 - 20 мкм и к более заметному его увеличению в области длин волн 8-11 мкм.

Б) Лазерные измерения. Отражательная способность естественной и искусственной морской воды различной концентрации исследовалась на установке с лазером. С целью выяснения степени влияния различных солей на отражательную способность морской воды были измерены относительные коэффициенты отражения растворов NaCl, MgSO4, MgCl2, KCl, CaSO4, KI различной концентрации при угле падения 20 градусов. Все эти соли содержатся в различном количестве в морской воде. С увеличением концентрации относительный коэффициент отражения всех исследованных растворов возрастает. Особенно заметно увеличение коэффициента отражения у раствора MgSO4, из-за присутствия ионов SO4. Зависимости всех остальных линейных коэффициентов близки к линейным. Вклады солей, содержащихся в морской воде, в ее отражение аддитивны.

Существенное влияние оказывает также температура. Понижение и повышение температуры приводит к уменьшению коэффициента отражения. При этом отражательная способность морской и чистой воды изменяется примерно одинаково.

Результат: наличие солей в морской воде приводит к увеличению ее коэффициента отражения на длине волны 10,6 мкм, на которой излучает углекислый лазер, не более чем на 5-7%. Измерение температуры в пределах 10-50 С также изменяет коэффициент отражения воды не более чем на 5%. В то же время наличие нефтяных загрязнений увеличивает коэффициент отражения воды в данной спектральной области на 400-600%. Таким образом, соленость и изменение температуры водной поверхности на результаты дистанционного зондирования нефтяных загрязнений методом активной лазерной локации заметного влияния оказать не могут.

Оптические свойства водной поверхности могут существенно изменяться при наличии пены, а также при наличии таких поверхностных загрязнений, как разросшиеся водоросли, плавающие перья птиц и другие объекты биологического происхождения. Было исследовано влияние пены и наличие ряски на отражательную способность воды в области длин волн от 0,5 до 15 мкм. Выполненные измерения показали, что при наличии на поверхности воды пены относительный коэффициент отражения воды уменьшается в несколько раз во всем исследованном спектральном диапазоне. Это, однако, свидетельствует лишь об уменьшении потока излучения, рассеянного пеной в направлении приемной системы, и не может служить доказательством уменьшения общего отраженного потока. Действительно, как показали гониометрические измерения, наличие на воде пены приводит к изменению характера пространственного распределения отраженной радиации.

Влияние волнения моря на эффективность дистанционного обнаружения нефтяных загрязнений. На эффективность работы индикатора существенное влияние должно оказывать волнение зондируемой водной поверхности. В качестве примера взяты результаты балтийского рейса НИС «Профессор Визе» в апреле-мае 1974 г.

Контраст в оптических свойствах нефтепродуктов и воды практически не зависит от волнения моря. Эти результаты справедливы в случае обнаружения сплошной пленки нефтепродукта на воде при оценке отклонения измерительного прибора.

загрязнение вода нефтяной дистанционный

Таким образом, испытания аппаратуры для дистанционной индикации нефтяных загрязнений активным методом убедительно показали, что эта аппаратура обладает рядом преимуществ по сравнению с применяемой в настоящее время. Она имеет малую динамическую постоянную времени срабатывания, может быть использована в любое время суток, в отсутствие и при наличии облачности, при волнении моря до 4 - 5 баллов, при различной скорости носителя . Нет также принципиальных препятствий для установки подобной аппаратуры на борту самолета, поэтому в настоящее время ведется разработка самолетного варианта лазерного обнаружителя нефтяных загрязнений, в котором будет использован более мощный лазер.

Заключение

Логика развития жизни на Земле определяет деятельность человека как главный фактор, причем биосфера может существовать без человека, но человек не может существовать без биосферы. Фактором существования биосферы является чистая вода. Сохранить гармонию человека и природы - основная задача, которая стоит перед настоящим поколением. Это требует изменения многих ранее сложившихся представлений о соизмерении человеческих ценностей. Необходимо развитие у каждого человека «экологического сознания», которое будет определять выбор вариантов технологий, строительства предприятий и использования природных ресурсов.

Защита водных ресурсов от истощения и загрязнения, и их рационального использования для нужд народного хозяйства - одна из наиболее важных проблем, требующих безотлагательного решения. Одним из основных направлений работы по охране водных ресурсов является внедрение новых технологических процессов производства, переход на замкнутые циклы водоснабжения, где очищенные сточные воды не сбрасываются, а многократно используются в технологических процессах. Замкнутые циклы промышленного водоснабжения дадут возможность полностью ликвидировать сбрасываемые сточных вод в поверхностные водоемы, а свежую воду использовать для пополнения безвозвратных потерь.
В химической промышленности намечено более широкое внедрение малоотходных и безотходных технологических процессов, дающих наибольший экологический эффект. Большое внимание уделяется повышению эффективности очистки производственных сточных вод.
Существенное влияние на повышение водооборота может оказать внедрение высокоэффективных методов очистки сточных вод, в частности физико-химических, из которых одним из наиболее эффективных является применение реагентов. Использование реагентного метода очистки производственных сточных вод не зависит от токсичности присутствующих примесей, что по сравнению со способом биохимической очистки имеет существенное значение. Более широкое внедрение этого метода как в сочетании с биохимической очисткой, так и отдельно, может в определенной степени решить ряд задач, связанных с очисткой производственных сточных вод.

Я считаю, что одна из основных задач современного образования человека - это становление экологического способа мышления. Так правительством РФ в 1991 г. была одобрена Республиканская программа по образованию в области окружающей среды. В ней определены цели и принципы организации экологического образования в области охраны окружающей среды. Важным моментом является тот факт, что приоритетность экологического образования, обязательность введения природоохранных дисциплин во всех учебных заведениях закреплены в законах «Об образовании» и «Об охране окружающей среды». Не лишним был бы переход от лозунга «Взять от природы все» к лозунгу «Природа наш дом».

Использованная литература

«Дистанционное обнаружение нефтяных загрязнений вод ИК лазером» В.В. Богородский, М.А. Кропоткин

«Оптико-физические средства исследования океана» Судостроение 1984г

«Методы и средства ГМИ» В.П. Коровин, Б.М.Тимец

«Дистанционное зондирование в метеорологии, океанологии и гидрологии» Мир 1984 г