Способ прогнозирования заморного состояния в водоеме
Применение: прогнозирование заморного 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
(I 9) (! I) СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ (22) 28.12.89 (46) 30.07,92. Бюл, N 28 (71) Институт биохимии и физиологии микроорганизмов АН СССР (72) В.Г. Токарев и И.Н. Трибрат (56) Авторское свидетельство СССР .
Nã 1025387, кл. А 01 К 63/00, 1983.
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 бентосных 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
МОРНОГО СОСТОЯНИЯ B ВОДО =МЕ (57) Применение: прогнозирование заморного состояния в водоемах. Сущность изобретения: в верхнем слое донногд осадка измеряют величину Eh на нескольких уровнях глубиной до 10 см. Составление прогноза заморного состоянйя осуществляют по ве-" личине и характеру пространственного распределения величины Eh в слое осадка. 6 ил, 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 величине активной реакции водородных ионов (рН), при 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 1750529 воздействие донных осадков на условия в придонной воде, Данный способ позволяет прогнозировать возникновение эамора 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 используютт окислител ьно-восстановительный потенциал Eh, величину Eh измеряют в слое донного осадка глубиной до 1.0 см, а составление прогноза заморнбго состбяния 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 MB в слое осадка от 5 до 10см; возможность возникновения эамора 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 а осадке, на границе осадок — вода и отражают условия в приданной воде, а также уровень диагенетического преобразовайия 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 даль йейшая убыль кислорода у дна, а также воэможность появления сероводорода в воде, т.е. условия, обеспечивающие выделение сероводорода из донных осадков, являются основными показателями, характеризующими приближенйе замора, и описывающими его возможность. Опасйость выхода сероводорода в воду тем больше, чем ниже окислительно-восстановительный потенциал в осадке и чем меньше толщина слоя окисленных осадков, условия в кото5 15 При уменьшении кислорода в придон35 ной воде по любой из причин или активации анаэробных .йроцессов тонкий слой осадка 45 50 одических заморов в случае колебания уровня загрязнения, аномальных погодных 30 ром поддерживаются под действием к лорода, 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 отсутствие эамора. 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, Для предсказания эаморов важно знать величину Eh 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 Eh больше +150 MB)— от тонкой пленки до 5 см — над сильновосстановленными осадками с Eh 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 Eh меньше -50 мВ в слое осадка 0-2 см, то замор отличается продолжительностью с выделением больших количеств сероводорода с серьезными последствиями для обитателей водоема. При Eh менее -50 м8 на глубине осадка в 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 периодическими 1750529 заморами толщина слоя окисленных осадков с микроаэрофильными условиями (Eh более О мВ) над сильновосстановленными 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 О, 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 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 Eh больше 0 в слое осадка Π— 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), слабоокисленны. ми (Eh менее +400 мВ, но более +150 мВ) или слабовосстановленными (Eh менее +150, но более 0 мВ). По теоретическим данным в донных осадках при Eh больше 0 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 споcoáñòâîâàòü выведению загрязнений из водной толщи в осадок. Эти условия гарантируют невоэможность возникновения замора в течение календарного года. Измерение Eh в верхнем слое осадков проводят либо на ионометре или рН-метревольтметре после отбора осадка.дночерпа10 30 40 55 телем, либо непосредственно в водоеме дистанционным датчиком, Пример 1. Отбирают пробу осадка с морского дна дночерпателем на глубину 10 5 см в холодный период (декабрь) в момент обогащения приданной воды кислородом. В полученной колонке осадка измеряют величину окислительно-восстановительного потенциала Eh на поверхности и через i-2 см по глубине осадка путем погружения стэндартчых Pt-электродов и электрода сравнения (KCI-электрода) на глубину 1 см в боковую поверхность колонки осадка и после выдержки последних в осадке в течение 2 — 5 мин. По результатам измерений величин Eh строят график вертикального распределения (фиг.1). Получают следующее распределение величины Eh no вертикали колонки: на поверхности 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 условиями не превышает 1 см, Под этим слоем залегают сильновосстановленные осадки, которые содержат много восстановленных соединений, Прогнозируют неизбежность ежегодного замора. Установлено, что при Eh менее -50 мВ на глубине Π— 2 см в водоеме происходят эаморы каждый год. В данный период прИ использовании способа-прототипа нельзя обнаружить предзаморное состояние водоема, так как процессы, затрагивающие равновесие в карбонатной системе воды, такие как фотосинтез и деструкция органических веществ воды, крайне низки и не приводят к резкому 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 Пример 2, Измеряют Eh непосредственно в осадке переносным милливольтметром у берега озера в конце осеннего периода во время максимального насыщения придонной воды кислородом перед замерзанием. 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 cM — -100 мВ (фиг.2). Прогноэиру|от неизбежное проявление замора в течение каждого года. Установлено химическим анализом, что в слое . осадка 4-5 см присутствует свободный сероводород. Пример 3. Способ осуществляют, как в примере 1. Получают следующее распре1750529 10 20 30 50 55 деление величины Eh по вертикали колонки (фиг,3): Ь на поверхности осадка — +470 мВ, на глубине 2 cM — +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 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 свидетельст вует 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-точечным электродом, Получают следующее распределение Eh (фиг.4): Eh 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 Eh = 50 MB на глубине 6 см свидетельствует о наличии сероводородом в этом слое, причем на глубине 5 см Eh = -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. 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. 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 он - находится вдали от зоны массового развития фитопланктона и здесь никогда не было отмечено эаморов, Пример 6. Способ осуществляют,.как в примере 4, измерение проводят в пресно водном водоеме в летний период. Получают следующее распределение Eh (фиг.6); 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 сильновосстэновленных условий в слое до 10 см, ч -о 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 Eh 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 Eh 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 тл и ч а ю щи и с я тем, что, с целью расширения области применения способа и повышения точности оценки, в качестве физико-химического параметра используют окислительно-восстановительный потенциал Eh, 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 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, 1750529 -300 -200 -100 0 + 100 + 200 + 300 + 400 +500 Eh мв Ф -300. -200 -100 0 + 100 + 200 +300 + 400 +500 Eh мв -300 -200 -100 0 + 100 +200 +300 +400 +500 Eh мв ° ° Ьсм Фиг. У возможность возникновения замора прогнозируют при Eh = -50 — 0 мВ в слое осадка 5 — 10 см, в случае Eh > 0 в слое осадка глу0иhcM Фиг. f г 5 ной до 10 см возникновения замора в водоеме в течение календарного года не ожидают. 1750529 -300 -200 -100 0 + 100 + 200 + 300 + 400 + 500 Eh мв / — У. Фи г.4 -300 -200 -!00 0 + 100 + 200 + 100 + 400 + 500 Eh мв h см Фиг. 5 -300 -200 -100 0 + 100 + 200 + 300 + 400 + 500 Eh мв h см Составитель Т. Черменская Техред М.Моргентал Корректор М. Максимишинец Редактор И, Касарда Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 Заказ 2631 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5
