RU2721713C1 - Method of assessing the ecological state of water bodies - Google Patents
Method of assessing the ecological state of water bodies Download PDFInfo
- Publication number
- RU2721713C1 RU2721713C1 RU2019133543A RU2019133543A RU2721713C1 RU 2721713 C1 RU2721713 C1 RU 2721713C1 RU 2019133543 A RU2019133543 A RU 2019133543A RU 2019133543 A RU2019133543 A RU 2019133543A RU 2721713 C1 RU2721713 C1 RU 2721713C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- water
- state
- temperature
- oxygen
- entropy
- Prior art date
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
- G01N33/18—Water
Landscapes
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Food Science & Technology (AREA)
- Medicinal Chemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Measuring Or Testing Involving Enzymes Or Micro-Organisms (AREA)
Abstract
Description
Предлагаемое изобретение относится к области экологии и может быть использовано для мониторинга экологического состояния водных объектов.The present invention relates to the field of ecology and can be used to monitor the ecological status of water bodies.
Оценка экологического состояния водного объекта необходима для управления и рационального использования водных ресурсов, принятия своевременных решений по предотвращению негативных последствий хозяйственной деятельности, сохранению и восстановлению водных экосистем. Знание нормального для данных физико-химических условий водной среды состояния водных экосистем позволяет оценить эффективность проводимых мероприятий по оздоровлению водных объектов.Assessment of the ecological state of a water body is necessary for the management and rational use of water resources, making timely decisions to prevent the negative consequences of economic activity, and to preserve and restore aquatic ecosystems. Knowledge of the normal state of aquatic ecosystems for the given physicochemical conditions of the aquatic environment makes it possible to evaluate the effectiveness of measures taken to improve water bodies.
Известен способ определения экологического состояния пресноводных водоемов по критерию трофности (патент РФ №2050128 МПК А01К 61/00, G01N 33/18), заключающийся в том, что в водоеме устанавливают датчики кислорода и рН, регистрируют активную реакцию среды рН, содержание кислорода (O2), в качестве критерия трофности рассчитывают показатель трофности (ПТ) и определяют экологическое состояние водоема по значению критерия. При значении показателя менее 5,7 водоем считают дистрофным, при значении показателя больше 5,7, но меньше 7,0 ультраолиготрофным, при значении 7,0 олиготрофным, от значения более 7,0 но меньше 8,3 - мезотрофным, а при значении показателя, большем либо равном 8,3 - эвтрофным.A known method for determining the ecological state of freshwater reservoirs by the criterion of trophicity (RF patent No. 2050128 IPC АКК 61/00, G01N 33/18), which consists in the fact that oxygen and pH sensors are installed in the reservoir, the active reaction of the pH medium, oxygen content (O 2 ), as a criterion of trophicity, the trophicity index (PT) is calculated and the ecological state of the reservoir is determined by the value of the criterion. If the value of the indicator is less than 5.7, the reservoir is considered dystrophic, when the value of the indicator is more than 5.7, but less than 7.0, it is oligotrophic, when the value is 7.0 it is oligotrophic, from a value of more than 7.0 but less than 8.3 - mesotrophic an indicator greater than or equal to 8.3 - eutrophic.
Недостаток известного способа заключается в том, что предложен способ определения только трофического статуса пресноводных водоемов, который является лишь одним из аспектов экологического состояния водных экосистем. Кроме этого, один из используемых для определения трофического статуса показателей - активная реакция среды, рН, в значительной мере зависит от химического состава воды, в частности, от состояния карбонатной системы, а также от температуры. Выделяемый в процессе фотосинтеза углекислый газ может связываться катионами кальция, магния и другими и, таким образом, не повлияет на изменение активной реакции среды, т.е. проявление биологических процессов будет нивелировано химическими взаимодействиями.The disadvantage of this method is that the proposed method for determining only the trophic status of freshwater bodies of water, which is only one aspect of the ecological state of aquatic ecosystems. In addition, one of the indicators used to determine the trophic status is the active reaction of the medium, pH, largely depends on the chemical composition of water, in particular, on the state of the carbonate system, as well as on temperature. Carbon dioxide released during photosynthesis can bind with cations of calcium, magnesium and others and, therefore, will not affect the change in the active reaction of the medium, i.e. the manifestation of biological processes will be leveled by chemical interactions.
Известен способ определения экологического состояния водных экосистем по показателям первичной продукции и деструкции органического вещества. Указанные показатели определяют путем экспозиции проб воды, отобранных в водном объекте, в герметичных прозрачных и темных склянках (Винберг Г.Г. Первичная продукция водоемов. Минск, 1960, с. 56-70).A known method for determining the ecological state of aquatic ecosystems in terms of primary production and destruction of organic matter. These indicators are determined by exposure of water samples taken in a water body, in sealed transparent and dark bottles (Vinberg GG Primary production of water bodies. Minsk, 1960, p. 56-70).
Значения первичной продукции и деструкции органического вещества обычно определяют в пробах воды, взятых из различных участков водоема и разных глубин, после чего путем графического интегрирования получают средние значения этих показателей для каждого слоя воды и для водоема в целом. На основе полученных данных определяют экологическое состояние водоемов по биотическому балансу, т.е. отношению первичной продукции к деструкции органического вещества. За норму принимают значения отношения валовой первичной продукции к деструкции близкие к 1. Отклонения от этого значения в ту или иную сторону трактуют как характеристику состояния водной экосистемы. Одна из известных шкал состояния на основе биотического баланса, названного авторами индекс самоочищения, дана в работе (Жукинский В.Н. и др. Критерии комплексной оценки качества поверхностных пресных вод. Самоочищение и биоиндикация загрязненных вод. М., Наука, 1980. С. 57-63). Шкала содержит девять классов состояния водоемов от предельно чистого до предельно грязного при значениях биотического баланса от 2 и более до 0,25 и менее.The values of primary production and destruction of organic matter are usually determined in water samples taken from different parts of the reservoir and different depths, after which, by graphical integration, the average values of these indicators for each layer of water and for the reservoir as a whole are obtained. Based on the data obtained, the ecological state of water bodies is determined by the biotic balance, i.e. the ratio of primary production to the destruction of organic matter. The ratio of gross primary production to destruction close to 1 is taken as the norm. Deviations from this value in one direction or another are interpreted as a characteristic of the state of the aquatic ecosystem. One of the known status scales based on the biotic balance, called the self-purification index by the authors, is given in the work (Zhukinsky V.N. et al. Criteria for a comprehensive assessment of the quality of surface fresh water. Self-purification and bioindication of polluted waters. M., Nauka, 1980. S. 57-63). The scale contains nine classes of water bodies from extremely clean to extremely dirty with biotic balance values of 2 or more to 0.25 or less.
Один из недостатков этого способа заключается в том, что в склянках воспроизводятся процессы продуцирования и деструкции только планктонного сообщества, а не всей экосистемы - перифитона, макрофитов, донных отложений. Еще один недостаток этого способа - ограниченный объем склянок может со временем влиять на интенсивность исследуемых процессов. Таким образом, этот метод определения экологического состояния водоемов не отражает всей совокупности естественных биологических и биохимических процессов в водоеме и их взаимодействия, не обеспечивая объективную и достоверную оценку экологического состояния. Кроме того способ требует значительных затрат труда и времени как в полевых условиях, так и в лаборатории.One of the disadvantages of this method is that in the flasks the processes of production and destruction of only the plankton community, and not the entire ecosystem — periphyton, macrophytes, and bottom sediments are reproduced. Another drawback of this method is that the limited volume of bottles can eventually affect the intensity of the studied processes. Thus, this method of determining the ecological state of water bodies does not reflect the totality of natural biological and biochemical processes in the water body and their interaction, without providing an objective and reliable assessment of the ecological state. In addition, the method requires significant labor and time both in the field and in the laboratory.
Описанные способы оценки экологического состояния страдают общим недостатком, заключающемся в том, что интерпретация эмпирических гидробиологических данных не опирается на теоретические основы термодинамических преобразований солнечной энергии, которыми, по сути, являются продукционно-деструкционные процессы. В связи с этим градация оценок носит умозрительный интуитивный характер, а пределы шкал теоретически не обоснованы.The described methods for assessing the ecological state suffer from a common disadvantage in that the interpretation of empirical hydrobiological data does not rely on the theoretical foundations of thermodynamic transformations of solar energy, which, in essence, are production-destruction processes. In this regard, the gradation of estimates is speculative and intuitive, and the limits of the scales are not theoretically justified.
Известен способ оценки состояния водных экосистем на основе термодинамического параметра состояния - эксергии (
Для расчета эксергии используется формулFor the calculation of exergy, the formulas are used
Ex=Σβici,Ex = Σβ i c i ,
Где β=RTlnci/ci0 - весовой фактор, учитывающий как много аминокислот в значащей последовательности необходимо для создания организма, т.е. как много информации содержит организм, R - универсальная газовая постоянная, Т - абсолютная температура, ci - концентрация в экосистеме компонента i, ci0 - концентрация компонента i в условиях термодинамического равновесия с окружающей средой, i=0 для неорганических соединений, i=1 для детрита, i≥2 для организмов.Where β = RTlnc i / c i0 is a weight factor that takes into account how many amino acids in a significant sequence are necessary to create an organism, i.e. how much information the body contains, R is the universal gas constant, T is the absolute temperature, c i is the concentration of component i in the ecosystem, c i0 is the concentration of component i under conditions of thermodynamic equilibrium with the environment, i = 0 for inorganic compounds, i = 1 for detritus, i≥2 for organisms.
Усредненные приблизительные значения коэффициента β рассчитаны для многих систематических групп организмов и опубликованы (Jorgensen S.Е. Review and comparison of goalfunctions in systemecology // Vie Milieu. 1994. Vol. 44; Jorgensen S.E. Exergy and ecological systems analysis // Complex Ecology: the Part-Whole Relation in Ecosystem. 1995; Jorgensen S.E. Integration of Ecosystem Theories: a Pattern. 2nd ed. Doedrecht; Boston; London: Kluwer Academic Publishers, 1997; Jorgensen S.E., Bendoricchio G. Fundamentals of Ecological Modelling. 3ded. Amsterdam: Elsevier, 2001.)The average approximate values of the coefficient β were calculated for many systematic groups of organisms and published (Jorgensen S.E. Review and comparison of goalfunctions in systemecology // Vie Milieu. 1994. Vol. 44; Jorgensen SE Exergy and ecological systems analysis // Complex Ecology: the Part-Whole Relation in Ecosystem. 1995; Jorgensen SE Integration of Ecosystem Theories: a Pattern. 2nd ed. Doedrecht; Boston; London: Kluwer Academic Publishers, 1997; Jorgensen SE, Bendoricchio G. Fundamentals of Ecological Modeling. 3ded. Amsterdam: Elsevier , 2001.)
Недостаток предлагаемого показателя в том, что для расчета значения эксергии необходимо получение данных о видовом (групповом) составе данной экосистемы, которые получают традиционными методами, требующими высокой квалификации специалиста по каждой группе видов и существенных затрат труда и времени. В связи с этим существенно снижается широкая доступность и оперативность полученной информации. Открытым остается вопрос полноты данных о групповом составе экосистем. Второй недостаток предложенного метода - использование для расчета эксергии данной (конкретной) экосистемы средних приблизительных значений коэффициента β, что может искажать реальные значения эксергии данной экосистемы и вуалировать изменения эксергии экосистемы, возникшие под воздействием негативных факторов. Третий недостаток заключается в том, что оценку эксергии экосистемы получают путем простого суммирования значений эксергии отдельных групп организмов, без учета сложнейшей системы их взаимодействия. Известно, что свойства системы не являются простой суммой свойств составляющих ее элементов. Расчет термодинамического параметра - эксергии, для целой экосистемы суммированием значений, полученных для отдельных сообществ, противоречит самому термодинамическому (холистическому) подходу. В связи с этим, оценка экосистемы, полученная таким способом, может быть в той или иной степени искажена.The disadvantage of the proposed indicator is that in order to calculate the exergy value, it is necessary to obtain data on the species (group) composition of this ecosystem, which are obtained by traditional methods that require highly qualified specialists in each group of species and significant labor and time costs. In this regard, the widespread availability and speed of information received is significantly reduced. The question of completeness of data on the group composition of ecosystems remains open. The second drawback of the proposed method is the use of average approximate values of the coefficient β to calculate the exergy of a given (specific) ecosystem, which can distort the real values of the exergy of this ecosystem and veil the changes in the exergy of the ecosystem that arise under the influence of negative factors. The third drawback is that the assessment of the exergy of an ecosystem is obtained by simply summing up the exergy of individual groups of organisms, without taking into account the complex system of their interaction. It is known that the properties of a system are not a simple sum of the properties of its constituent elements. The calculation of the thermodynamic parameter - exergy, for the whole ecosystem by summing up the values obtained for individual communities, contradicts the thermodynamic (holistic) approach itself. In this regard, the ecosystem assessment obtained in this way may be distorted to one degree or another.
Целью изобретения является повышение достоверности и оперативности оценки экологического состояния водных объектов.The aim of the invention is to increase the reliability and efficiency of the assessment of the ecological state of water bodies.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение точности, объективности и оперативности (фактически в режиме реального времени) получения интегральной оценки экологического состояния водных объектов, уровня их благополучия.The technical result of the invention is to increase the accuracy, objectivity and efficiency (actually in real time) of obtaining an integrated assessment of the ecological state of water bodies, their level of well-being.
Для достижения указанного результата в способе оценки экологического состояния водных объектов непосредственно в водном объекте устанавливают датчики температуры и кислорода, измеряют температуру воды в водном объекте, а также концентрацию растворенного кислорода, по значению которой по таблице растворимости кислорода определяют «равновесную» температуру, соответствующую 100% насыщению воды кислородом измеренной концентрации, после чего рассчитывают значение изменения энтропии формуле ΔSt=S2-S1=lnT2/T1, где ΔSt=S2-S1 - изменение энтропии;To achieve this result, in the method for assessing the ecological state of water bodies, temperature and oxygen sensors are installed directly in the water body, the temperature of the water in the water body is measured, as well as the concentration of dissolved oxygen, the value of which determines the “equilibrium” temperature corresponding to 100% from the oxygen solubility table saturation of water with oxygen of the measured concentration, after which the value of the change in entropy is calculated by the formula ΔS t = S 2 -S 1 = lnT 2 / T 1 , where ΔS t = S 2 -S 1 is the change in entropy;
Т1 - температура воды в водном объекте,T 1 - water temperature in a water body,
Т2 - «равновесная» температура водного объекта, соответствующая 100% насыщению воды кислородом при измеренной концентрации;T 2 - "equilibrium" temperature of the water body, corresponding to 100% oxygen saturation of the water at the measured concentration;
при этом диапазон состояний водной системы разбивают на 5 классов, где состояние в пределах значений изменения энтропии (-0,123) - 0,062 характеризует предельно благополучное состояние экосистемы, 0,063-0,124 - благополучное; 0,125-0,187 - удовлетворительное; 0,188-0,249 - неблагополучное; 0,250-0,312 - предельно неблагополучное, а оценку экологического состояния определяют путем принадлежности полученного значения изменения энтропии соответствующему классу.in this case, the range of states of the water system is divided into 5 classes, where the state within the range of entropy changes (-0.123) - 0.062 characterizes the extremely favorable state of the ecosystem, 0.063-0.124 - safe; 0.125-0.187 - satisfactory; 0,188-0,249 - dysfunctional; 0.250-0.312 is extremely unfavorable, and the assessment of the ecological state is determined by the fact that the obtained value of the change in entropy belongs to the corresponding class.
Оценка экологического состояния водных объектов по двум гидрохимическим показателям - концентрации растворенного кислорода и температуре воды, на основе термодинамического параметра состояния - энтропии, значительно повышает по сравнению с известными способами, оперативность (фактически в режиме реального времени), объективность получения интегральной оценки экологического состояния водных объектов. При этом возможно определение данных в автоматическом режиме с передачей по телекоммуникационным каналам связи, что значительно повысит оперативность (фактически в режиме реального времени) получения интегральной оценки экологического состояния водных объектов.Assessment of the ecological state of water bodies by two hydrochemical indicators - the concentration of dissolved oxygen and water temperature, based on the thermodynamic state parameter - entropy, significantly increases the efficiency (in real time) and the objectivity of obtaining an integral assessment of the ecological state of water bodies in comparison with known methods . In this case, it is possible to determine data in automatic mode with transmission via telecommunication channels, which will significantly increase the efficiency (in fact, in real time) of obtaining an integrated assessment of the ecological state of water bodies.
В патентной и технической литературе отсутствуют сведения о предложенном способе оценки экологического состояния водных объектов, в связи с чем этот способ обладает элементами существенной новизны, а также изобретательским уровнем.In the patent and technical literature there is no information about the proposed method for assessing the ecological state of water bodies, and therefore this method has elements of significant novelty, as well as an inventive step.
Известно, что содержание кислорода в воде определяется основными процессами: выделение в результате фотосинтеза, потребление в процессе дыхания гидробионтов и окисления органических и неорганических соединений, газообменом с атмосферой (аэрация и деаэрация), поступление в водоемы с дождевыми и снеговыми водами. Скорость изменения концентрации кислорода в результате газообмена с атмосферой и окисления органических и неорганических соединений в большинстве случаев несопоставимо ниже скорости продуцирования кислорода в процессе фотосинтеза и потребления в процессе дыхания (деструкции органического вещества). Поэтому преобладающее изменение концентрации кислорода в водном объекте можно отнести на счет биологических и биохимических процессов: фотосинтетического продуцирования и деструкции органического вещества. В равновесном состоянии данной температуре воды соответствует определенная концентрация 100% насыщения воды растворенным кислородом. Фактическая концентрация кислорода в природных водах может не соответствовать равновесной, а соответствует равновесной концентрации при другой температуре воды. Изменение концентрации кислорода в воде за счет процессов фотосинтетического продуцирования и деструкции органического вещества эквивалентно изменению концентрации кислорода за счет изменения температуры, что, в свою очередь, эквивалентно изменению энтропии экосистемы. Это позволяет рассчитать величину ее изменения, которое происходит за счет биологических процессов, также как если бы это изменение произошло вследствие изменения температуры. Для определения изменения энтропии водного объекта за счет продукционно-деструкционных процессов, т.е. для определения состояния водного объекта, используем известную формулу (X. Кухлинг Справочник по физике М.: Мир, 1985, с. 192; Е.И. Степановских, Л.А. Брусницина Расчет изменения энтропии в системах без химического превращения. Учебное пособие, Екатеринбург, УГТУ-УПИ, 2008, с. 10-11):It is known that the oxygen content in water is determined by the main processes: the release as a result of photosynthesis, the consumption of hydrobionts and the oxidation of organic and inorganic compounds during breathing, gas exchange with the atmosphere (aeration and deaeration), and entry into water bodies with rain and snow waters. The rate of change in oxygen concentration as a result of gas exchange with the atmosphere and the oxidation of organic and inorganic compounds is in most cases incomparably lower than the rate of oxygen production during photosynthesis and consumption during breathing (destruction of organic matter). Therefore, the predominant change in the concentration of oxygen in a water body can be attributed to biological and biochemical processes: photosynthetic production and destruction of organic matter. In the equilibrium state, a certain concentration of 100% saturation of water with dissolved oxygen corresponds to a given water temperature. The actual concentration of oxygen in natural waters may not correspond to the equilibrium, but corresponds to the equilibrium concentration at a different water temperature. A change in the concentration of oxygen in water due to the processes of photosynthetic production and destruction of organic matter is equivalent to a change in oxygen concentration due to a change in temperature, which, in turn, is equivalent to a change in the entropy of the ecosystem. This allows you to calculate the magnitude of its change, which occurs due to biological processes, as if this change occurred due to a change in temperature. To determine the change in the entropy of a water body due to production and destruction processes, i.e. to determine the state of a water body, we use the well-known formula (X. Kuhling Physics Handbook M .: Mir, 1985, p. 192; EI Stepanovskikh, L.A. Brusnitsina Calculation of the change in entropy in systems without chemical transformation. Study guide, Yekaterinburg, USTU-UPI, 2008, p. 10-11):
где ΔSt=S2-S1 - изменение энтропии; индекс t при ΔSt означает, что время t=const. (т.е. изменение энтропии не по времени, а по температуре);where ΔS t = S 2 -S 1 - change in entropy; the index t at ΔS t means that the time t = const. (i.e., the change in entropy is not in time but in temperature);
с - удельная теплоемкость воды; m - масса воды;C is the specific heat of water; m is the mass of water;
Т1 - температура воды в контролируемом водном объекте;T 1 - water temperature in a controlled body of water;
Т2 - температура воды, соответствующая 100% насыщению воды кислородом при измеренной концентрации, определенная по справочной шкале «Растворимость кислорода воздуха 100% влажности в дистиллированной воде в зависимости от температуры»;T 2 - water temperature corresponding to 100% oxygen saturation of the water at the measured concentration, determined according to the reference scale "Solubility of air oxygen 100% humidity in distilled water depending on temperature";
Удельная теплоемкость воды незначительно зависит от температуры (изменение не более 0,8% в диапазоне температур от 1°С до 100°С), и мы можем принять ее равной единице. Поскольку масса воды постоянна (m=const), ее можно исключить из формулы, и в окончательном виде формула имеет вид:The specific heat capacity of water does not significantly depend on temperature (a change of no more than 0.8% in the temperature range from 1 ° C to 100 ° C), and we can take it equal to unity. Since the mass of water is constant (m = const), it can be excluded from the formula, and in the final form the formula has the form:
Чем меньше отклонение энтропии от «равновесного» состояния (ΔSt=0 при Т2=Т1), тем более благополучно состояние экосистемы и наоборот: чем больше отклонение, тем ближе экосистема к состоянию деградации. Для того, чтобы рассчитать значение ΔSt по справочной шкале «Растворимость кислорода воздуха 100% влажности в дистиллированной воде в зависимости от температуры» определяют значение Т2 - температуры воды, соответствующей 100% насыщению кислородом при измеренной концентрации кислорода. Например, измеренная в водном объекте концентрация кислорода составила 8,91 мг/дм3. Такая концентрация соответствует концентрации насыщения (равновесной концентрации) при температуре 21,0°С или 294,15 К. Для краткости изложения назовем ее «равновесная» температура. Измеренная в водном объекте температура воды составила 15°С или 288,15 К. 
Предельные значения изменения энтропии ΔS в водном объекте можно рассчитать исходя из крайних теоретически возможных сочетаний измеренных в водном объекте концентрации кислорода и температуры.The limiting values of the change in the entropy ΔS in a water body can be calculated on the basis of the theoretically extreme combinations of oxygen concentration and temperature measured in a water body.
1. Допустим при температуре воды в водном объекте T1=273,15°К (0,0°C) измеренная концентрация кислорода СО2=0,0 мг/дм3, что по таблице соответствует «равновесной» температуре Т2=373,15°К (100°С). В этом случае изменение энтропии примет максимальное значение.1. Suppose that at a water temperature in a water body T 1 = 273.15 ° K (0.0 ° C), the measured oxygen concentration CO 2 = 0.0 mg / dm 3 , which according to the table corresponds to the "equilibrium" temperature T 2 = 373 , 15 ° K (100 ° C). In this case, the change in entropy will take its maximum value.
Такое значение предполагает практически отсутствие фотосинтеза, а атмосферная аэрация полностью нивелируется потреблением кислорода на окисление и разложение органического вещества. С известными допущениями такое состояние может быть интерпретировано как смерть экосистемы и реально встречается в некоторых водных объектах.Such a value implies the practically absence of photosynthesis, and atmospheric aeration is completely leveled by the consumption of oxygen for the oxidation and decomposition of organic matter. With well-known assumptions, such a state can be interpreted as the death of an ecosystem and actually occurs in some water bodies.
2. При температуре воды Т1=373,15°К (100°C) измеренная концентрация кислорода CO2=14,62 мг/дм3, что по таблице соответствует «равновесной» температуре Т2=273,15°К (0,0°C). В этом случае изменение энтропии примет теоретически минимальное значение.2. At a water temperature of T 1 = 373.15 ° K (100 ° C), the measured oxygen concentration CO 2 = 14.62 mg / dm 3 , which according to the table corresponds to the "equilibrium" temperature T 2 = 273.15 ° K (0 , 0 ° C). In this case, the change in entropy will assume a theoretically minimal value.
Однако при температуре воды 100°С не может существовать экосистемная жизнь (за чрезвычайно редким исключением геотермальных источников, где могут существовать отдельные популяции, но отсутствуют экосистемы как таковые). Максимальная температура воды Мирового океана составляет около 36°С. Это значение следует принять за крайнее, при котором возможна экосистемная жизнь. То есть, если при температуре воды T1=309,15°К (36°С) измеренная концентрация кислорода CO2=14,62 мг/дм3, что по таблице соответствует «равновесной» температуре Т2=273,15°К (0,0°C), то в этом случае изменение энтропии примет минимально возможное значение.However, at a water temperature of 100 ° C, ecosystem life cannot exist (with the extremely rare exception of geothermal sources, where individual populations may exist, but ecosystems as such are absent). The maximum temperature of the oceans is about 36 ° C. This value should be taken as the extreme at which ecosystem life is possible. That is, if at a water temperature T 1 = 309.15 ° K (36 ° C) the measured oxygen concentration CO 2 = 14.62 mg / dm 3 , which according to the table corresponds to the "equilibrium" temperature T 2 = 273.15 ° K (0,0 ° C), then in this case the change in entropy will take the minimum possible value.
Указанный диапазон 0,312 - -0,123 был разбит на пять классов, соответствующих тому или иному состоянию. Отрицательные значения ΔSt соответствуют пересыщенному раствору кислорода, существование которого во времени ограничено, крайне редко встречается в реальных водных объектах и маловероятно в утренние часы, когда по методике проводят измерение концентрации кислорода в воде. Поэтому отрицательные значения энтропии включены в первый класс, соответствующий наиболее благополучному состоянию экосистемы.The specified range of 0.312 - -0.123 was divided into five classes corresponding to a particular condition. Negative values of ΔS t correspond to a supersaturated oxygen solution, the existence of which is limited in time, is extremely rare in real water bodies and is unlikely in the morning when the concentration of oxygen in water is measured by the method. Therefore, negative entropy values are included in the first class, which corresponds to the most prosperous state of the ecosystem.
В таблице 1 дана градация состояний экосистемы по значению изменения энтропииTable 1 shows the gradation of ecosystem states by the value of the change in entropy
Способ осуществляют следующим образом.The method is as follows.
Непосредственно на водном объекте с помощью оксиметра (кислородомера) измеряют температуру воды и концентрацию растворенного кислорода (при отсутствии приборов может определяться аналитически). По таблице растворимости кислорода определяют «равновесную» температуру, т.е. температуру при которой измеренная концентрация растворенного кислорода соответствует 100% насыщению, т.е. является равновесной. Переводят значения температуры воды и «равновесной» температуры из шкалы Цельсия в шкалу Кельвина. По формуле 
Пример расчета: температура воды в водном объекте составила T1=20,0°С, или 293,15°К, концентрация растворенного кислорода - 7,0 мг/дм3. Такая концентрация кислорода является равновесной (100% насыщенной) при температуре воды Т2=34,9°С, или 308,05°К. Далее рассчитываем изменение энтропии, т.е. отклонение от «равновесного» состояния:Calculation example: the water temperature in a water body was T 1 = 20.0 ° C, or 293.15 ° K, the concentration of dissolved oxygen was 7.0 mg / dm 3 . Such an oxygen concentration is equilibrium (100% saturated) at a water temperature of T 2 = 34.9 ° C, or 308.05 ° K. Next, we calculate the change in entropy, i.e. deviation from the "equilibrium" state:
Расчет отклонения энтропии от условной нормы («равновесного» состояния) для водных объектов с различным уровнем загрязнения.Calculation of the deviation of entropy from the conventional norm (“equilibrium” state) for water bodies with different levels of pollution.
Пример 1. В таблице 2 даны среднемноголетние показатели озера Байкал, район Байкальского целлюлозно-бумажного комбината (БЦБК).Example 1. Table 2 shows the average long-term indicators of Lake Baikal, the area of the Baikal Pulp and Paper Mill (BPPM).
Пример 2. В таблице 3 даны показатели озера Байкал, продольный разрезExample 2. Table 3 shows the indicators of Lake Baikal, a longitudinal section
Пример 3. В таблице 4 даны показатели Ладожского озера, Лахтен, среднемноголетние значенияExample 3. Table 4 gives indicators of Lake Ladoga, Lahten, long-term average values
Пример 4. В таблице 5 даны показатели реки Нюдуай, среднемноголетние значенияExample 4. Table 5 shows the indicators of the Nyduay river, the average long-term values
Пример 5. В таблице 6 даны показатели реки ПельшмаExample 5. Table 6 shows the indicators of the Pelshma River
Предложенный способ определения экологического состояния водоемов отражает всю совокупность естественных биологических и биохимических процессов в водоеме и их взаимодействие, обеспечивая объективную и достоверную оценку экологического состояния. При этом способ не требует значительных затрат труда и времени как в полевых условиях, так и в лаборатории.The proposed method for determining the ecological state of water bodies reflects the totality of natural biological and biochemical processes in the water body and their interaction, providing an objective and reliable assessment of the ecological state. Moreover, the method does not require significant labor and time both in the field and in the laboratory.
Предложенный способ может быть эффективно использован для решения задач классификации водных объектов по состоянию их экосистемы.The proposed method can be effectively used to solve the problems of classifying water bodies according to their ecosystem status.
Claims (7)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019133543A RU2721713C1 (en) | 2019-10-21 | 2019-10-21 | Method of assessing the ecological state of water bodies |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019133543A RU2721713C1 (en) | 2019-10-21 | 2019-10-21 | Method of assessing the ecological state of water bodies |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2721713C1 true RU2721713C1 (en) | 2020-05-21 |
Family
ID=70803301
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2019133543A RU2721713C1 (en) | 2019-10-21 | 2019-10-21 | Method of assessing the ecological state of water bodies |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2721713C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112819284A (en) * | 2021-01-05 | 2021-05-18 | 黄河勘测规划设计研究院有限公司 | Ecological environment evolution evaluation method and device based on drainage basin |
| RU2773324C1 (en) * | 2021-06-30 | 2022-06-02 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный научный центр "Владикавказский научный центр Российской академии наук" (ВНЦ РАН) | Method for determining the combinatory index of surface water pollution |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU25224U1 (en) * | 2002-01-23 | 2002-09-20 | Общество с ограниченной ответственностью "ВЗОР" | DEVICE FOR MEASURING THE CONCENTRATION OF DISSOLVED OXYGEN |
| RU2496241C2 (en) * | 2012-01-25 | 2013-10-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский радиотехнический институт имени академика А.И. Берга" | Jamming station |
| RU2510021C2 (en) * | 2012-01-31 | 2014-03-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт водных проблем Российской академии наук (ИВП РАН) | Method and device for continuous measurement of biochemical consumption of oxygen, biochemical demand for oxygen and speed of biochemical oxidation |
| RU2518227C2 (en) * | 2012-04-10 | 2014-06-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН | Method of assessment environmental condition of coastal ecosystems |
| CN104897870A (en) * | 2015-06-18 | 2015-09-09 | 中国矿业大学 | Water quality evaluation method for real-time early warning of water supply network |
| CN109001408A (en) * | 2018-10-09 | 2018-12-14 | 安徽水韵环境检测有限公司 | A kind of water quality monitoring method |
-
2019
- 2019-10-21 RU RU2019133543A patent/RU2721713C1/en active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU25224U1 (en) * | 2002-01-23 | 2002-09-20 | Общество с ограниченной ответственностью "ВЗОР" | DEVICE FOR MEASURING THE CONCENTRATION OF DISSOLVED OXYGEN |
| RU2496241C2 (en) * | 2012-01-25 | 2013-10-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский радиотехнический институт имени академика А.И. Берга" | Jamming station |
| RU2510021C2 (en) * | 2012-01-31 | 2014-03-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт водных проблем Российской академии наук (ИВП РАН) | Method and device for continuous measurement of biochemical consumption of oxygen, biochemical demand for oxygen and speed of biochemical oxidation |
| RU2518227C2 (en) * | 2012-04-10 | 2014-06-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН | Method of assessment environmental condition of coastal ecosystems |
| CN104897870A (en) * | 2015-06-18 | 2015-09-09 | 中国矿业大学 | Water quality evaluation method for real-time early warning of water supply network |
| CN109001408A (en) * | 2018-10-09 | 2018-12-14 | 安徽水韵环境检测有限公司 | A kind of water quality monitoring method |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| РЕШЕТНЯК О.С. и др. Оценка гидроэкологического риска в бассейне реки Ока. Вода и экология, N 3, 2017, c. 158-170. * |
| ТРОФИМЧУК М.М. О возможности оценки экологического состояния водных систем на основе энтропии. Метеорология и гидрология, 2018, N 7, с. 80-86. * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112819284A (en) * | 2021-01-05 | 2021-05-18 | 黄河勘测规划设计研究院有限公司 | Ecological environment evolution evaluation method and device based on drainage basin |
| RU2773324C1 (en) * | 2021-06-30 | 2022-06-02 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный научный центр "Владикавказский научный центр Российской академии наук" (ВНЦ РАН) | Method for determining the combinatory index of surface water pollution |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Banerjee et al. | Environmental factors as indicators of dissolved oxygen concentration and zooplankton abundance: Deep learning versus traditional regression approach | |
| Cole et al. | An empirical model for estimating phytoplankton productivity in estuaries | |
| Schneider et al. | The effect of carbonate chemistry on calcification and photosynthesis in the hermatypic coral Acropora eurystoma | |
| Montagna et al. | Li/Mg systematics in scleractinian corals: Calibration of the thermometer | |
| Xu | Exergy and structural exergy as ecological indicators for the development state of the Lake Chaohu ecosystem | |
| Weckström et al. | The relationship between diatoms and water temperature in thirty subarctic Fennoscandian lakes | |
| Warkentin et al. | New and fast method to quantify respiration rates of bacterial and plankton communities in freshwater ecosystems by using optical oxygen sensor spots | |
| Marra et al. | Resolving the ocean's euphotic zone | |
| Xu et al. | Biomonitoring of coastal pollution status using protozoan communities with a modified PFU method | |
| Ludovisi et al. | Use of thermodynamic indices as ecological indicators of the development state of lake ecosystems: 2. Exergy and specific exergy indices | |
| Xu et al. | Development of a structurally dynamic model for ecosystem health prognosis of Baiyangdian Lake, China | |
| Emerson et al. | Oxygen concentrations and biological fluxes in the open ocean | |
| RU2721713C1 (en) | Method of assessing the ecological state of water bodies | |
| Kong et al. | High frequency data provide new insights into evaluating and modeling nitrogen retention in reservoirs | |
| Håkanson et al. | A general dynamic model to predict biomass and production of phytoplankton in lakes | |
| Jane et al. | Carbon quality regulates the temperature dependence of aquatic ecosystem respiration | |
| Katin et al. | Modeling biophysical controls on hypoxia in a shallow estuary using a Bayesian mechanistic approach | |
| Xu et al. | The variations of exergies and structural exergies along eutrophication gradients in Chinese and Italian lakes | |
| Girdner et al. | Impact of nutrients on photoacclimation of phytoplankton in an oligotrophic lake measured with long-term and high-frequency data: implications for chlorophyll as an estimate of phytoplankton biomass | |
| Ginot et al. | Estimating the parameters of dissolved oxygen dynamics in shallow ponds | |
| Zhang et al. | Analysis and prediction of eutrophication for advanced warning of the water quality concerns in Gaoyou Lake | |
| Pugnetti et al. | Phytoplankton production in Italian freshwater and marine ecosystems: state of the art and perspectives | |
| RU2369091C2 (en) | Method of differentiation of mesotrophic and eutotrophic conditions of fresh-water stagnant basins | |
| Lin | The impact of marine tourism behavior on the ecological effect of marine benthos Community in the South China Sea | |
| EP2110430B1 (en) | Measuring cell, analyser, process, and computer program product for measuring biochemical oxygen demand (bod) |