Russian Federation
Russian Federation
Russian Federation
The methodology of measuring flow velocities and constructing water consumption curves in waterways in order to find the source of pollutant discharges by the surface unmanned vehicle (unmanned craft – UC) is proposed. The research was carried out on the Pekhorka River in the Moscow region in August-September 2023. The following software and equipment were used: Google Earth Pro, Microsoft Excel, an in-house developed surface drone, a Garmin Striker Cast GPS echo sounder, a water flow sensor based on the Arduino UNO platform with customised enhancements (tail feathering and a built-in plug-in for current velocity determination). Fixation of exceedance of maximum permissible concentrations (MPC) of pollutants in a watershead indicates a violation has occurred. Due to the high degree of water exchange in waterways, the presence of a water sample with exceeded MPC values does not guarantee the detection of a violator. Particularly, if a water consumer is not in the supervision authorities' database, it becomes almost impossible to confirm his guilt without a comprehensive evidence base. If there is a wide network of hydrological monitoring on streams, the issue in the evidence base would be exhaustive, but dependent on the length of the river, frequent installation of hydrological posts is impossible for economic reasons. In such a case, an alternative option to supplement hydrological observations could be the use of a surface unmanned vehicle to take data at any reference station at the operator's discretion. The method of identifying sources of stream pollution using the unmanned ship not only allows to significantly expand the hydrological monitoring network along streams, but also to locate illegal water users by randomly selecting a control node to measure flow velocity and water volume. The large number of registered control nodes can also serve as a basis for the commission of a discharge when an intruder is detected.
surface unmanned vehicle, geographic information systems, hydrological post, flow rate curves, water flow sensor, wastewater disposal, stream flow, flow velocity
Введение
Сбросы загрязняющих веществ в водотоки осуществляются в рамках действующего экологического законодательства и нормативных актов для каждого отдельного водопользователя [1]. В период сбросов должны учитываться гидрологические характеристики водотока с целью определения коэффициента смешивания, т. е. определяется допустимая интенсивность сбросов загрязняющих веществ, при которой на водный объект будет оказано минимальное антропогенное воздействие [2, 3]. В целях контроля сбросов загрязняющих веществ на источниках водосбросов надзорными органами устанавливаются датчики, фиксирующие факты наличия стоков загрязнения в конкретный момент времени [4, 5]. В случае возникновения чрезвычайной ситуации (ЧС) в виде превышения допустимых значений концентраций загрязняющих веществ в воде надзорными органами в первую очередь отмечаются факты стоков загрязнений в предполагаемый период от водопользователей, в том числе путем сопоставления перечней обнаруженных веществ с данными о сбросах водопользователей [6]. Таким образом, на практике фиксируется нарушитель, после чего против водопользователя применяются штрафные санкции. Однако при отсутствии данных о сбросах загрязняющих веществ водопользователями (отсутствие фактов сбросов загрязняющих веществ до и в период ЧС) возникают вопросы по поиску нарушителя [7, 8]. Если водоток оборудован большой сетью гидрологических постов, то найти нарушителя по данным изменения расходов воды в реке не составит труда. В противном случае поиск нарушителя (возможно, официально не зарегистрированного водопользователя) существенно осложняется, т. к. необходимо привлекать большой объем сил и средств для исследования не только водотока, но и водосборной территории в целом.
В данной работе предложен метод поиска источника сбросов загрязняющих веществ в водоток посредством беспилотного корабля (БПК).
Материалы и методы исследований
Исследования проводились на реке Пехорка Московской области в период с августа по сентябрь 2023 г. В ходе работы использовались программы Google Earth Pro, Microsoft Excel, надводный беспилотный аппарат авторской разработки, эхолот Garmin Striker Cast GPS, датчик расхода воды на базе платы Arduino UNO c авторской доработкой (хвостовым оперением и встроенным плагином для расчета скорости течения).
Габариты БПК: длина – 120 см, ширина – 38 см, высота – 47 см (высота может быть изменена в большую сторону при установке дополнительного грузового обтекателя для устойчивости судна на волнах). Масса без полезной нагрузки составляет 7 кг, с полезной нагрузкой – 10 кг. Максимальная рекомендованная масса – 15 кг. Аппарат может действовать с пульта управления или по заранее настроенному маршруту в режиме автопилота. Датчики и приборы контроля включаются оператором вручную перед спуском на воду и работают в фоновом режиме. Погружной датчик расхода воды включается при погружении якорного троса под воду.
Для написания плагина для датчика расхода воды на базе платы Arduino UNO выведена формула преобразования данных расходов в скорость течения. Определен диаметр входного и выходного отверстия датчика, который составил 11,9 мм. Соответственно, для определения скорости течения, м/с, из расхода воды, л/с, в плагин преобразования данных выведены следующие формулы:
где π = 3,14; W – данные расхода воды, л/с; D – диаметр сечения входного и выходного отверстия датчика.
Расход воды измеряется по формуле
W = W0 + n · 0,01,
где W0 – начальный расход воды, л/с; n – количество импульсов.
Датчик расхода воды (рис. 1), интегрированный для замеров скоростей течения в работе, оборудован хвостовым оперением для инерциального изменения своего направления в зависимости от направления течения воды в толще и на поверхности. Предполагается свободное крепление датчика с помощью кольца или хомута к якорному тросу БПК в целях его устойчивости на определенной вертикали и глубине (рис. 2) [9–11].
Рис. 1. Собранный датчик для измерения скоростей течения в открытом русле
Fig. 1. Assembled sensor for measuring velocities open channel flow
Рис. 2. Устройство датчика расхода воды
Fig. 2. Device of the water flow sensor
Хвостовое оперение для готового датчика скоростей течения в открытом русле изготовлено из экологически чистого и устойчивого к физическим нагрузкам пластика поливинилхлорида (ПВХ-пластик).
В ходе тестовых испытаний определено, что применение указанного датчика рекомендуется использовать только при замерах скоростей течения, не превышающих 5,5 м/с, в противном случае произойдет некорректная передача данных. Датчик расхода воды выдает погрешность при скоростях течения выше 5,5 м/с, т. к. плата не может передавать сигнал на данной частоте вращения лопасти, затруднение считывания сигнала материнской платы. Однако проблема может быть решена установкой более дорогостоящего датчика.
Результат, полученный с помощью модели при применении беспилотного надводного аппарата, был откалиброван по данным многолетних гидрологических наблюдений, однако требуется проведение повторных исследований для доказательства точности измерений разработанным методом.
Результаты и обсуждение
Преимущества использования БПК для целей замеров скоростей течения и расходов воды на водотоках в сравнении с имеющимися на данный момент гидрологическими постами существенны:
– отсутствует необходимость установки стационарных гидрологических постов, которые в свою очередь требуют больших экономических затрат и людских ресурсов;
– с помощью GPS-привязок одним аппаратом можно проводить замеры абсолютно в любом условном створе водотока, что не только существенно расширяет сеть гидрологического мониторинга, но и эффективно ее дополняет;
– аппарат может быть использован также и для прикладных задач, например для точного поиска выхода грунтовых вод в водоток или источника сброса загрязняющих веществ в реку [1, 2, 8].
Для снятия данных скоростей течения и построения расчетных эпюр расходов воды в реке посредством БПК контрольный створ для замеров может быть выбран любой. Для выбора створа можно воспользоваться программой Google Earth Pro (с помощью программы удается наиболее точно установить координаты контрольных измерительных вертикалей в выбранном створе водотока) или в ходе полевых наблюдений [10, 11]. После в выбранном створе производится замер глубины на каждой вертикали с помощью эхолотной или якорной съемки. В момент промера глубины по якорному тросу опускается датчик скоростей течения. Рекомендуемые глубины погружения датчика на каждой вертикали приведены в таблице [5, 8].
Расположение датчика скорости течения на вертикали предполагаемого заросшего русла (якорном тросе)
Current velocity sensor location on the vertical of the suspected overgrown stream (anchor cable)
|
Глубина потока |
Минимальное количество точек измерения на вертикали, ед. |
Глубина установки датчика расхода воды на вертикали (при отсчете от дна реки), м |
|
Менее 0,3 |
1 |
0,5h |
|
0,3–1 |
3 |
0,15h; 0,5h; 0,85h |
|
Более 1 |
6 |
0,10 от поверхности; 0,2h; 0,4h; 0,6h; |
Данные измерений, полученные с датчика, могут быть записаны на электронный накопитель либо при наличии интернет-соединения переданы оператору для обработки, вычисления расходов воды и построения эпюр в автоматизированном режиме, как показано на примере (рис. 3).
Рис. 3. Пример обработки данных, полученных датчиком скоростей течения
Fig. 3. Data processing example of data obtained by flow velocity sensor
Таким образом, в створе предполагаемого водотока может быть получена площадь сечения русла (8,73 м2) и расход воды в контрольном створе (2,49 м3/с).
В целях поиска источника сброса загрязняющих веществ контрольные створы для измерений расходов воды можно устанавливать в хаотичном порядке, что при выявлении разницы в показателях (расходах) позволит максимально точно определять местоположение «несанкционированного» водопользователя.
Кроме того, хаотичная установка контрольных створов при высокой частоте их распределения позволит строить актуальные карты или 3D-модели с данными скоростей течения воды в руслах рек или каналах. В случаях тщательного индивидуального исследования водотока (при различных фактических уровнях воды и времен года) построенные карты скоростей течения позволят решать следующие задачи в области охраны окружающей среды:
1. Определение зон санитарной охраны (ЗСО). Карты скоростей течения позволят определять границы ЗСО водных объектов, используемых для питьевого и хозяйственно-бытового водоснабжения. В соответствии с санитарными правилами и нормативами «Зоны санитарной охраны источников водоснабжения и водопроводов питьевого назначения» (СанПиН 2.1.4.1110-02), введенными в действие на основании Федерального закона от 30.03.1999 № 52-ФЗ «О санитарно-эпидемио-логическом благополучии населения», ЗСО в Российской Федерации включают в себя три пояса, определяемых с помощью гидродинамических расчетов или скоростей течения:
– первый пояс (пояс строгого режима) обеспечивает защиту места водозабора и водозаборных сооружений от загрязнения и повреждения;
– второй пояс предотвращает микробное загрязнение воды;
– третий пояс предназначен для предотвращения химических загрязнений источника водоснабжения.
2. Определение и контроль за качеством воды. Скорость течения воды влияет на перемешивание и распределение веществ в водотоке. Актуальные карты позволяют оценить, как быстро загрязнения могут распространяться и повлиять на изменение качества воды.
3. Проведение научных, гидрологических и экологических исследований. Наличие актуальных карт скоростей течения позволяет изучать влияние водных потоков на экосистемы, что в свою очередь помогает принимать меры по сохранению биоразнообразия и предотвращению негативных последствий для окружающей среды. В области гидрологии и водного хозяйства актуальные данные водотоков дают возможность эффективно планировать меры по предотвращению наводнений, а также разрабатывать стратегии для устойчивого управления водными ресурсами.
Таким образом, актуальные карты скоростей течения в водотоке помогают обеспечить безопасность водоснабжения, контролировать качество воды и сохранять природные ресурсы.
Заключение
Имеющаяся на водотоках сеть гидрологического мониторинга имеет ограниченное число гидрологических постов в связи с дороговизной оборудования и большими трудозатратами для снятия данных наблюдений в контрольном створе. В связи с этим показатели расходов воды на гидрологических постах несут в себе больше обобщенное представление о реке в целом, что часто не соответствует требованиям для выявления несанкционированных водопользователей на данном водном объекте.
Представленный в работе принцип поиска источников загрязнения водотоков с помощью БПК позволяет не только существенно дополнить сеть гидрологического мониторинга за водотоком, но и выявить местоположение несанкционированного водопользователя за счет хаотичного выбора контрольного створа для снятия показателей скоростей течения и расходов воды. Большое количество измеренных контрольных створов в случае фиксации нарушителя также может быть использовано в качестве доказательной базы о совершении факта «несанкционированного» сброса загрязняющих веществ.
1. Naumenko N. O., Zhezmer V. B., Novikov A. V. i dr. Razrabotka avtomatizirovannoi sistemy monitoringa bezopasnosti gidrotekhnicheskikh sooruzhenii. Potapovskie chteniia-2019 [Development of an automated system for monitoring the safety of hydraulic structures. Potapov readings-2019]. Sbornik materialov ezhegodnoi Vserossiiskoi nauchno-prakticheskoi konferentsii, posviashchennoi pamiati doktora tekhnicheskikh nauk, professora Aleksandra Dmitrievicha Potapova (Moskva, 25 aprelia 2019 g.). Moscow, Izd-vo MISI-MGSU, 2019. Pp. 214-218.
2. Naumenko N. O. Vvedenie ratsional'nogo normirovaniia na ob"emy sbrosov zagriazniaiushchikh veshchestv v vodnye ob"ekty s tsel'iu podderzhaniia ustoichivosti eko-sistemy. Sovremennye problemy i perspektivy razvitiia rybokhoziaistvennogo kompleksa [The introduction of rational rationing for the volume of discharges of pollutants into water bodies in order to maintain the stability of the ecosystem. Modern problems and prospects for the development of the fisheries complex]. Materialy VI Nauchno-prakticheskoi konferentsii molodykh uchenykh (Moskva, 11–12 oktiabria 2018 g.). Moscow, Izd-vo VNIRO, 2018. Pp. 344-346.
3. Lagutina N. V., Naumenko N. O., Novikov A. V., Sumarukova O. V. Otsenka kachestva vod Rybinskogo vodokhranilishcha vsledstvie snizheniia urovnia vod [Assessment of the water quality of the Rybinsk reservoir due to a decrease in water levels]. Prirodoobustroistvo, 2019, no. 2, pp. 122-125.
4. Badaguev B. T. Ekologicheskaia bezopasnost' predpriiatiia. Prikazy, akty, instruktsii, zhurnaly, polozheniia, plany [Environmental safety of the enterprise. Orders, acts, instructions, journals, regulations, plans]. Moscow, Al'fa-Press, 2018. 568 p.
5. Lur'e P. M., Panov V. D., Salomatin A. M. Gidrologiia i stok [Hydrology and runoff]. Saint Petersburg, Gidrometeoizdat, 2001. 160 p.
6. Orlov A. I., Fedoseev V. N. Problemy upravleniia ekologicheskoi bezopasnost'iu [Environmental safety management issues]. Menedzhment v Rossii i za rubezhom, 2000, no. 6, pp. 78-86.
7. Sarkisov O. R. Ekologicheskaia bezopasnost' i ekologo-pravovye problemy v oblasti zagriazneniia okruzhaiushchei sredy [Environmental safety and environmental and legal problems in the field of environmental pollution]. Moscow, Iuniti-Dana Publ., 2017. 231 p.
8. Rozhdestvenskii A. V., Chebotarev A. I. Statisticheskie metody v gidrologii [Statistical methods in hydrology]. Leningrad, Gidrometeoizdat, 1974. 425 p.
9. Pogrebov V. B., Shilin M. B. Ekologicheskii monitoring beregovoi zony [Ecological monitoring of the coastal zone]. Osnovnye kontseptsii sovremennogo beregopol'zovaniia. Saint Petersburg, Izd-vo RGGMU, 2010. Vol. 2. Pp. 95-123.
10. Prokacheva V. G., Usachev V. F. Aerokosmicheskaia informatsiia pri otsenke vodnykh resursov [Aerospace information in the assessment of water resources]. Saint Petersburg, Izd-vo GGI, 2009. 17 p.
11. Mikheeva N. I., Koshoeva B. B., Liubimova T. D. Pribor na osnove Arduino dlia avtomatizirovannogo ucheta raskhoda vody v otkrytom potoke [An Arduino-based device for automated metering of water flow in an open stream]. Vysokoproizvoditel'nye vychislitel'nye sistemy i tekhnologii, 2021, no. 5 (1), pp. 205-209.
