Способ прогнозирования заморного состояния в водоеме

(22) 28.12.89 (46) 30.07,92. Бюл (71) Институт био роорганизмов АН (72) В.Г. Токарев (56) Авторское св йг 1025387, кл. А амор- изосадка овняхгноза по вео рас,6 ил гв 28химии и физиологиСССРи И.Н, Трибратидетельство СССР .01 К 63/00, 1983. и ству омпоненты водыо е,одо зве части зопас- ентосГОСУДАРСТВЕННЫИ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР Изобретение относится к рыбовод может быть использовано при выборе емов для разведения рыбы, районов дения марикультуры в прибрежной морских водоемов и для контроля бе ности условий в местах разведения б ных и придонных организмов,Известны способы прогнозирования заморного 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 укаэанных характеристик лишь в воде и потенциальным источником замора считают(54) СПОСОБ ПРОГНОЗИРОВАНИМОРНОГО СОСТОЯНИЯ В ВОДО 1 М(57) Применение: прогнозирование зного состояния в водоемах. Сущностбретения; в верхнем слое донного оизмеряют величину Еп на нескольких урглубиной до 10 см. Составление прозаморного состояния осуществляютличине и характеру пространствениогпределения величины Еп в слое осадка к и условия, сложившиеся в в дНаиболее 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 величине активной реакции водородных ионов рН), п 1 эи 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 ивоздействие донных осадков на условия впридонной воде, Данный способ позволяетпрогнозировать возникновение эаморалишь за 1 - 2 сут до его начала, как и другиеизвестные способы.Цель изобретения - расширение. области применения способа и повышение точности оценки,Поставленная цель достигается тем, чтов способе прогнозирования заморного состояния в водоеме. предусматривающем измерение физико-химического параметра исоставление прогноза заморного, состоянияпо величине измеренного параметра, в качестве физико-химического параметра используютт окислител ьно-восстановительныйпотенциал ЕЬ, величину ЕЬ измеряют в слоедонного осадка глубиной до 10 см, а составление прогноза эаморнбго состбянияводоема осуществляют по характеру пространственного распределения "величиныЕЬ в данном слое осадка, при этом, неизбежность ежегодного замора прогнозируют при величине ЕЬ меньше -50 мВ в слоеосадка глубиной 0-5 см; неизбежность периодических заморов прогнозируют при величине ЕЬ менее -50 мВ в слое осадка от 5до 10 см; возможность возникновения эамо рапрогнозируют при величине ЕЬ от -50 мВдо О мВ в слое осадка 5 - 10 см, а в случаевеличины ЕЪ больше 0 мВ в слое осадкаглубиной до 10 см возникновение замора вводоеме в течение календарного года неожидают.На фиг. 1 - 6 показан способ прогнозирования запорного состояния в водоеме.Сущность способа заключается в том,что величины ЕЬ и их пространственное распределение в осадке описывают напряженность окислительно-восстановительныхусловийа осадке, на границе осадок - водаи отражают условия в приданной воде, атакже уровень диагенетического преобразовайия осадка и способность его генерировать восстановленные соединения, включаясероводород, в толще осадка и способностьосадка, его самого верхнего слоя, препятствовать выходу сероводорода из осадка вводу. Минимальное содержание и даль йейшаяубыль кислорода у дна, а такжевоэможность появления сероводорода вводе, т.е. условия, обеспечивающие выделение сероводорода из донных осадков,являются основными показателями, характеризующими приближенйе замора, и описывающими его возможность. Опасйостьвыхода сероводорода в воду тем больше,чем ниже окислительно-восстановительныйпотенциал в осадке и чем меньше толщинаслояокисленных осадков, условия в кото 10 При уменьшении кислорода в придон 35 ной воде по любой из причин или активации анаэробных.йроцессов тонкий слой осадка 40 45 продолжительностью с выделением боль 50 одических заморов в случае колебания уровня загрязнения, аномальных погодных 20 25 30 ром поддерживаются под действием к ,лорода, поступающего из водной толщи,Величина ЕЬ больше+150 мВ на поверхности осадка свидетельствует о, наличии кислорода в придонной воде, при этом ЕЬ в воде также превышает +150 мВ, Величины ЕЬ около +500 мВ в верхнем слое осадка отражают высокое содержание кислорода в воде, Эти условия характеризуют отсутствие эамора, Величины ЕЬ меньше+150 мВ в придонной воде и ЕЬ меньше -50 мВ на. поверхности осадка свидетельствует о наличии сероводорода в придонной воде и о протекании замора,Для предсказания эаморов важно знать величину ЕЬ на поверхности осадка и на определенной глубине осадка. Известно, что глубина йрямой диффузии кислорода из придонной воды в осадки с активными процессами не превышает 2 см, Небольшая толщина слоя окисленных и слабовосстановленных осадков (с ЕЬ больше+150 мВ) - от тонкой пленки до 5 см - над сильновосстановленными осадками с ЕЬ меньше -50 мВ, содержащими, как известно, растворенные сульфиды и сероводород, свидетельствует о крайне неустойчивом состоянии экосистемы верхнего слоя осадков, воэможности понижения содержания кислорода в результате его потребления в наиболее неблагоприятные периоды, в конце летнего сезона и в конце зимнего сезона, в период уменьшения активности динамики вод насыщается восстановленными соединениями, а затем. и сероводородом. и сам начинает актйвно генерировать восстановленные соединения и сероводород, которые диффундируют в воду и усиливают дефицит кислорода у дна, что ежегодно приводит к проявлению замора, Если ЕЬ меньше -50 мВ в слое осадка 0-2 см, то замор отличается ших количеств сероводорода с серьезнымипоследствиями для обитателей водоема,При ЕЬ менее -50 мВ на глубине осадкав слое 5-10 см возможно проявление периусловий или действия других факторов, приводящих к активизации биологических процессов в воде и нарастанию потребления 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 периодическимизаморами толщина слоя окисленных осадков с микроаэрофильными условиями (Е 1 более 0 мВ) над сильновосстановленными осадками с ЕЬ 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 ЕЬ меньше О, но более -50 мВна 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 биогеохимических процессов в осадке, возрастает степень их восстановленности, что приводит к появлению сероводорода на меньшей глубине, создаются условия, при которых возможен замор в течение календарного года.Величины Е 1 больше 0 в слое осадка0 - 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 количестваорганических веществ, являются окисленными (ЕЬ более+400 мВ), слабоокисленными (ЕЬ менее +400 мВ, но более +150 мВ) или слабовосстановленными (ЕЬ менее +150, но более 0 мВ), По теоретическимданным в донных осадках при ЕЬ больше 0 отсутствует свободный сероводород, следовательно, нет опасности выхода его в воду, Высокие значения Е 1 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 потреблениюкислорода 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 невоэможность возникновения замора в течениекалендарного года. Измерение ЕЬ в верхнем слое осадков проводят либо на ионолетре или рН-метре- вольтметре после отбора осадка дночерпа 10 15 20 25 30 35 40 50 55 телем, либо непосредственно в водоеме дистанционным датчиком,П р и м е р 1. Отбирают пробу осадка сморского дна дночерпателем на глубину 105 см в холодный период (декабрь) в моментобогащения приданной воды кислородом. Вполученной колонке осадка измеряют величину окислительно-восстановительного потенциала Е 1 на поверхности и через 1-2 смпо глубине осадка путем погружения стэндартчых Р 1-электродов и электрода сравнения (КС 1-электрода) на глубину 1 см вбоковую поверхность колонки осадка и после выдержки последних в осадке в течение2 - 5 мин, По результатам измерений величин Е 1 строят график вертикального распределения (фиг.1),Получают следующее распределениевеличины ЕЬ по вертикали колонки; на поверхности осадка ЕЬ =+280 мВ, на глубине2 см Е 1 =-80 мВ, на глубине 6 см Е 6 =-160мВ, на глубине 10 см ЕЬ = -200 мВ, Какследует из фиг.1, толщина слоя окисленныхосадков и осадков с микроаэрофильнымиусловиями не превышает 1 см, Под этимслоем залегают сильновосстановленныеосадки, которые содержат много восстановленных соединений, Прогнозируютнеизбежность ежегодного замора. Установлено, что при Е 1 менее -50 мВ на глубинеО - 2 см в водоеме происходят эаморы каждый год,В данный период прИ использованииспособа-прототипа нельзя обнаружитьпредзаморное состояние водоема, так какпроцессы, затрагивающие равновесие вкарбонатной системе воды, такие как фотосинтез и деструкция органических веществеоды, крайне низки и не приводят к резкомуизменению рН, т,е, согласно теоретическому обоснованию известного способа К будетменьше 1. При этом содержание кислородадостигает у дна и на поверхности максимального уровня.5 П р и м е р 2, Измеряют ЕЬ непосредственно в осадке переносным милливольтметром у берега озера в конце осеннегопериода во время максимального насыщения придонной воды кислородом перед замерзанием. Получают величину ЕЬ наповерхности осадка равную + 130 мВ, наглубине 2 см - О мВ, на глубине 4 см -(фиг.2). Прогнозируют неизбежное проявлен ле замора в течение каждого года. Установлено химическим анализом, что в слое. осадка 4-5 см присутствует свободный сероводород.П р и м е р 3. Способ осуществляют, како примере 1. Получают следующее распре5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 деление величины ЕЬ по вертикали колонки (фиг,3): Ь на поверхности осадка - +470 мВ, на глубине 2 см - +240 мВ, на глубине 5 см - 0 мВ, на глубине 6 см - -60 мВ, на глубине 10 см - -80 мВ, на глубине 14 см - -120 м В, толщина слоя окисленных осадков и осадков с микроаэрофильными условиями составляет 5 см, Констатируют, что ЕЬ меньше -50 в слое осадка 5-10 см. Это свидетельст вует о неизбежности периодических заморов при неблагоприятных условиях,П р и м ер 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 Р 1-точечным электродом, Получают следующее распределение ЕЬ (фиг,4): ЕЬ на поверхности осадка - +240 мВ, на глубине 4 см - 0 мВ, на глубине 10 см - . -80 м В, толщина микроаэрофильного слоя составляет 4 см, Величина ЕЬ = 50 мВ на глубине 6 см свидетельствует о наличии сероводородом в этом слое, причем на глубине 5 см ЕЬ = -40 мВ, Данная точка находится в районе с периодическими эаморами 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.П р и м е р 5, Способ осуществляют, какв примере 1, Получают следующее распределение величины ЕЬ по вертикали колонки (фиг.5): ЕЬ на поверхности осадка+500 мВ, ЕЬ в случае 10 см составляет от +320 до 420 мВ, толщина слоя окисленных и слабо- восстановленных осадков больше 12 см.Прогйоэируют невозможность возникновения замора в течение года и в последующие годы, если в водоеме не будет значительно нарастать уровень загрязнения. Наблюдения за данным, районом показывают, что оннаходится вдали от зоны массового развития фитопланктона и здесь никогда не было отмечено эаморов,Пр и м е р 6. Способ осуществляют,.какв примере 4, измерение проводят в пресноводном водоеме в летний период. Получают следующее распределение ЕЬ (фиг.6); на поверхности осадка - +300 мВ, на глубине 5 см - +220 мВ и на глубине 10 см - +140 мВ.Величины ЕЬ показывают наличие кислорода в придонной воде и в верхнем слое осадка, а также отсутствие сильновосстэновленных условий в слое до 10 см, чго 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 водоемах 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 невозможно использовать известные способы прогнозирования заморов по состоянию водной толщи, в том числе способ-прототип. Предлагаемый способ является значительно более точным по сравнению.со способом-прототипом и другими известными способами и позволяет предсказывать возникновение замора задолго до его проявления, тэк как через величину окислительно-восстановительного потенциала ЕЬ в воде и осадках, прямо или косвенно связанную с физико-химическими свойствами и составом воды и осадков, со скоростью биогеохимических процессов, э также с численным и видовым составом макро- и микроорганизмов, учитывают состояние донных осадков, определяющее вероятность и сроки возникновения заморного состояния.Кроме того, предлагаемый способ отличается простотой, малой трудоемкостью и не требует значительных затрат времени,особенно при использовании для измерения ЕЬ выносного дистанционного датчика.Формула изобретения Способ прогнозирования зэморного состояния в водоеме, предусматривающий измерение физико-химического параметра и составление прогноза заморного состояния по величине измеренного параметра, о т л и ч а о щ и й с я тем, что, с целью расширения области применения способа и повышения точности оценки, в качестве физико-химического параметра используют окислительно-восстановительный потенциал ЕЬ, величйну которого измеряют в верхнем слое донного осадка нэ нескольких уровнях глубиной до 10 см, а составление прогноза заморного состояния водоема осуществляют по характеру пространственного распределения величины ЕЬ в слое осадка, при этом неизбежность ежегодного замора прогнозируют при ЕЬ-50 В в слое осадка глубиной до 5 см, неизбежность периодических заморов прогнозируют при ЕЬ-50 мВ в слое осадка 5-10 см,300 -200 -100 0 10 м Ф возможность возникновения замора прогнозируют при Еп = -50 - О мВ в слое осадка 5 - 10 см, в случае Еп0 в слое осадка глубиной до 10 см возникновения замора в водоеме в течение календарного года не ожидают,, Максимишинец ре и ГКНТ СС зводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужго Гагарина, 101 аказ 2631 ВНИИПИ Госуд Фи г.4Тираженного комитета по изо 13035, Москва, Ж, Ра Подписноеетениям и открытиямщская наб., 4/5