Методы и средства геофизического мониторинга

Для получения объективной информации о состоянии и об уровне загрязнения различных объектов природной среды необходимо располагать надежными средствами и методами экологического контроля. Повышение эффективности контроля за состоянием природной среды может быть достигнуто:

• повышением производительности и оперативности измерений;

• повышением регулярности измерений;

• увеличением масштабности охвата одновременным контролем;

• автоматизацией и оптимизацией технических средств и процесса контроля.

С помощью набора инструментальных методов химического, физико-химического, микробиологического анализа и других видов наблюдений постоянно отслеживаются состав и техногенные загрязнения атмосферного воздуха, поверхностных вод суши, почв, морской воды, геологической среды, а также состояние и поведение источников антропогенных воздействий. Здесь мониторинг смыкается с функциями технологического контроля.

В развитых индустриальных странах быстро совершенствуется техника приборного контроля качества водной и воздушной среды. Разработаны и применяются коммутационные системы непрерывного автоматического слежения за концентрациями загрязнителей воздуха, техника автоматического экспресс-анализа стоков, телеметрические спектральные анализаторы эмиссий в устьях источников, а также разнообразные портативные индикаторные приборы. В последнее время в системе Интернет появились серверы, содержащие разнообразную и постоянно обновляющуюся информацию о данных экологического мониторинга в странах Западной Европы, CШA, Канады и Японии.

Средства экологического мониторинга подразделяются на контактные и неконтактные; а контролируемые показатели на функциональные (продуктивность, оценка круговорота веществ и др.) и структурные (абсолютные или относительные значения физических, химических или биологических параметров: концентрация загрязняющего вещества, коэффициент суммарного загрязнения и др.). Контактные методы контроля подразделяются на методы использующие прямое измерение параметра и косвенное (рис.6).

В результате прямого измерения непосредственно определяется сам искомый параметр, например, показатель рН (метод рН-метрии). В случае косвенного измерения искомый параметр определяется в несколько стадий с использованием различных калибровочных графиков, таблиц и пр.

Рис. 6. Структура контактных методов наблюдения и контроля за состоянием природной среды

Эффективность любого метода наблюдений и контроля за состоянием природной среды оценивается совокупностью показателей:

- селективность и точность определения,

- воспроизводимость получаемых результатов, чувствительность определения,

- пределы обнаружения элемента (вещества),

- экспрессность выполнения анализа.

Основным требованием к выбираемому методу является его применимость в широком интервале концентраций элементов (веществ), включающих как следовые количества в незагрязненных объектах фоновых районов, так и высокие значения концентраций в районах техногенного воздействия.

Фотометрический метод основан на сравнении оптических плотностей исследуемой и контрольной жидкостей. Фотометрический метод базируется на законе Бугера-Ламберта-Бера:

где D – оптическая плотность раствора, а – коэффициент поглощения при определенной длине волны, b – толщина кюветы, с – концентрация исследуемого элемента (вещества). При постоянных значения а и b зависимость между оптической плотностью раствора и концентрацией загрязнителя должна быть линейной.

К разновидностям фотометрического метода анализа относятся фотоколориметрический (визуальная фотоколориметрия, фотоэлектроколориметрия) и спектрофотометрические фотоколориметрические методы (используют для проведения анализа полихроматический свет). Для визуальной фотоколориметрии используют приборы визуального сравнения: пробирки, ручные колориметры, визуальные фотометры; для фотоэлектроколориметрии – фотоэлектрические фотометры, которые являются двухлучевыми приборами с двумя фотоэлементами. Чувствительность определения соединения зависит от природы элемента соединения и составляет 0,02-20 мкг/мл пробы.

Спектрофотометрические методы анализа основаны на тех же принципах, что и фотоколориметрические, но в спектрофотометре используется поглощение монохроматического. Чувствительность определения различных элементов и соединений спектрофотометрами 0,08-20 мг/мл пробы. Частными случаями использования спектрофотометрии являются турбидиметрический и нефелометрический методы анализа, применяющиеся для определения количества веществ, находящихся во взвешенном состоянии, посредством измерения интенсивности прохождения света (турбидиметрический) или интенсивности рассеивания света в контролируемом растворе пробы. Для турбидиметрического метода анализа используются спектрофотометры различных типов с синим светофильтром, а также специальные приборы мутномеры. Рассматриваемый метод пригоден для измерения концентраций порядка несколько частей на миллион. Нефелометрический метод анализа более чувствителен для сильно разбавленных суспензий и при благоприятных условиях может дать точность, сравнимую с точностью других колориметрических методов.

В основе спектрофотометрии (спектрально-эмиссионного метода) лежит излучение световой энергии атомами, ионами, реже молекулами. Излучаемые молекулами, атомами, ионами эмиссионные линейчатые спектры не зависят от вида химических соединений, из которых состоит исследуемое вещество. Поэтому этот вид анализа применяется для элементарного состава проб воды и почвы. Метод является универсальным, высокочувствительным, экспрессным и точным, кроме того, он позволяет одновременно анализировать до 30 элементов в одной пробе.

Атомно-абсорбционный спектральный анализ основан на использовании способности свободных атомов элементов селективно поглощать резонансное излучение определенной для каждого элемента длины волны. Метод универсален, прост, высокопроизводителен. Используется для определения более 7 элементов с точностью 0,1 - 0,01 мг/л.

Использование люминесцентного (флуориметрического) метода для аналитических целей связано с появлением сильной флуоресценции у некоторых веществ (нефтепродуктов, фенолов и др.) при воздействии на них ультрафиолетовым излучением. Приборы, использующие принцип люминесцентного анализа называются спектрофлюориметрами.

Газохроматографический метод основан да селективном разделении соединений между двумя несмешивающимися фазами, одна из которых неподвижна (жидкость или твердое тело), а другая – подвижна (инертный газ – носитель). Рассматриваемый метод позволяет определять ничтожно малые количества веществ, не обладающих специфическими реакциями, анализировать смеси, состоящие из десятков и сотен компонентов с близкими свойствами.

Электрохимические методы анализа используют зависимость различных электрических свойств среды от количественного и качественного состава исследуемого вещества. К рассматриваемым методам анализа относятся потенциометрический, полярографический, кондуктометрический, ионометрический.

Потенциометрический метод основан на изменении потенциала электрода в зависимости от физико-химических процессов, протекающих в веществе.

Полярографический метод использует принцип восстановления анализируемого соединения на ртутном капающем электроде и используется, как правило, при анализе следовых количеств веществ, находящихся в разных агрегатных состояниях.

Используются полярографы с чувствительностью определений концентраций элементов и соединений 0,005-1 мкг/мл пробы.

Кондуктометрический метод основан на зависимости электропроводности и диэлектрической проницаемости вещества от концентрации и природы её компонентов. Приборы, основанные на кондуктометрическом методе анализа, называются кондуктометрами или солемерами.

Ионометрический метод основан на реакции ионоселективных электродов, обратимых к большому числу катионов и анионов.

Macс-спектрометрический метод заключается в ионизации газообразной пробы электронной бомбардировкой, после чего образующиеся ионы подвергаются воздействию магнитного поля. В зависимости от массы и заряда ионы отклоняются с различной скоростью и соответствующим образом разделяются.

Рентгеноспектральный анализ основан на получении спектров различных элементов и веществ под воздействием рентгеновского излучения.

Контактные методы наблюдений и контроля за состоянием природной среды дополняются неконтактными, основанными на использовании двух свойств зондирующих полей (электромагнитных, акустических, гравитационных) осуществлять взаимодействия с контролируемым объектом и переносить полученную информацию к датчику. Зондирующие поля обладают широким набором информативных признаков и разнообразием эффектов взаимодействия с веществом объекта контроля.

Принципы функционирования средств неконтактного контроля условно подразделяют на пассивные и активные: пассивный, когда осуществляется прием зондирующего поля, исходящего от самого объекта контроля; активный – когда производится прием отраженных, прошедших или переизлученных зондирующих полей, созданных источником.

Неконтактный контроль атмосферы осуществляется с помощью радиоакустических и лидарных методов. Вначале радиоволны были использованы для анализа состояния ионосферы (по отражению и преломлению волн), затем сантиметровые волны применимы для исследования осадков, облаков, турбулентности атмосферы.

Область использования радиоакустических методов ограничена сравнительно локальными объемами воздушной среды (порядка 1-2 км в радиусе) и допускает их функционирование в наземных условиях и по борту аэроносителей.

Одной из причин появления отраженного акустического сигнала являются мелкомасштабные температурные неоднородности, что позволяет контролировать температурные изменения, профили скорости ветра, верхнюю границу тумана.

Принцип лидарного (лазерного) зондирования заключается в том, что при своем распространении лазерный луч рассеивается молекулами, частицами, неоднородностями воздуха, поглощается, изменяет свою частоту, форму импульса, в результате чего возникает флюоресценция, которая позволяет качественно или количественно судить о таких параметрах воздушной среды как давление, плотность, температура, влажность, концентрация газов, аэрозолей, параметры ветра. Преимущество лидарного зондирования заключается в монохроматичности, когерентности и возможности изменять спектр, что позволяет избирательно контролировать отдельные параметры воздушной среды. Главный недостаток – ограниченность потолка зондирования атмосферы с Земли влиянием облаков.

Основными методами неконтактного контроля природных вод являются радиояркостный, радиолокационный, флуоресцентный.

Радиояркостный метод использует диапазон зондирующих волн от видимого до метрового для одновременного контроля волнения, температуры и солености.

Радиолокационный (активный) метод заключается в приеме и обработке (амплитудной, энергетической, частотной, фазовой, поляризационной, пространственно-временной) сигнала, отраженного от взволнованной поверхности.

Для дистанционного контроля параметров нефтяного загрязненной водной среды (площадь покрытия, толщина, примерный химический состав) используется лазерный отражательный, лазерный флуоресцентный, фотографирование в поляризованном свете.

Флуоресцентный метод основан на поглощении оптических волн нефтью и отличии спектров свечения легких и тяжелых фракций нефти. Оптимальный выбор длины возбуждающей волны позволяет по амплитуде и форме спектров флюоресценции идентифицировать типы нефтепродуктов.

Многообразие химических загрязнителей и других видов техногенных загрязнений определяет широкую номенклатуру методов и средств ЭАК. Для определения концентрации загрязняющих веществ используются разнообразные методы химического анализа: газовая и ионная хроматография, рентгенофлуоресценция, оптическая спектроскопия и др. Для измерений шума, инфразвука и вибраций применяют как отечественную, так и зарубежную аппаратуру: шумомеры, спектрометры, полосовые фильтры, вибродатчики. Измерение электрической и магнитной составляющей напряженности ЭМП производят приборами типа ИЭМП, NFM-1 (ФРГ). Методы радиационного контроля основаны на измерении параметров ионизирующих излучений (мощность дозы, эквивалентная доза, поверхностная активность и др.) с помощью дозиметрических приборов».

Лаборатории различных министерств и, ведомств, выполняющих эколого-аналитический контроль, имеют разную нормативно-методическую и метрологическую базу. Это означает, что результаты определения уровня загрязнения одних и тех же объектов могут заметно отличаться. Для достижения единства и требуемой точности измерений системы ЭАК должны иметь соответствующее метрологическое обеспечение — научные и организационные основы, нормативно-техническую документацию, методы и технические средства измерений. С этой целью формируется федеральный реестр методик ЭАК — аттестованных и прошедших метрологическую экспертизу.

В аппаратурном обеспечении ЭАК существуют два направления. Первое — выпуск приборов общего назначения, позволяющих охватывать контроль большого числа показателей разнотипных объектов (хроматографы, спектрофотометры, полярографы и т.п.). Второе направление ориентировано на специальные приборы, предназначенные для определения конкретного агента в конкретном объекте. Такие приборы удобны для стационарных постов контроля, передвижных лабораторий и санитарно-промышленных лабораторий предприятий, где номенклатура загрязнителей ограничена.

Актуальным направлением аналитического приборостроения является создание многоцелевых приборных комплексов на блочно-модульной основе. Аналитический комплекс — это совокупность материальной (средства измерения, вычислительная техника, вспомогательное оборудование) и интеллектуальной (методики, программное обеспечение) составляющих анализа. Таким образом, в комплекс входят комплект аттестованных методик ЭАК и все приборы, технические средства, необходимые для их реализации. Удачным примером создания аналитического комплекса может служить многоцелевая лабораторная автоматизированная система эколого-аналитического контроля «Инлан».

В последние годы для решения задач экологического контроля и мониторинга все шире начинает использоваться космическая техника. Получаемые с помощью систем спутниковой связи и оптико-электронных средств высокого разрешения данные используются для построения многослойных электронных карт различной тематической направленности. Космические средства мониторинга в сочетании с наземными системами ЭАК позволяют создать мощную информационную базу для управления природоохранной деятельностью и экологической безопасностью на региональном, национальном и глобальном уровнях.

Сведения о контрольно-измерительной технике, применяемой в промышленной экологии, можно найти в специальной литературе (см., например, «Информационно-справочный каталог. Контрольно-измерительные приборы в промышленной экологии» (1993)).