Scientific journal

Научное обозрение. Педагогические науки

ISSN 2500-3402

ПИ №ФС77-57475

После подписания Болонского соглашения Россия вошла в единое европейское образовательное пространство, объединенное общими принципами формирования процесса. Основной целью такого процесса является подготовка всесторонне образованных специалистов, сочетающих хорошие технические знания с возможностью анализа и принятия решений в нестандартных условиях. Для реализации этого положения в системе высшего профессионального образования России созданы возможности для разработки и практического использования различных конкурентоспособных образовательных программ [1].

Цель работы: реализация инновационной методики подготовки квалифицированных кадров и адаптирование для подготовки инженеров различных специальностей [2].

Предложен материал, который отсутствует в классических учебниках. На примере крупнейшего мегаполиса мира – Московского региона Российской Федерации – рассмотрена система наблюдения и принятия решений по управлению водными ресурсами при подготовке питьевой воды.

Материалы и методы исследования

Использована авторская методика написания учебной литературы на основе современных исследований и технологий, применяемых в отечественной и зарубежной промышленности [3]. Проведено экспериментальное исследование состава талой воды, полученной в различных районах г. Москвы, методом масс-спектрометрии с индуктивносвязанной плазмой [4]. Использованы методы статистического анализа при обработке данных по составу природной и питьевой воды.

Результаты исследования и их обсуждение

Показатели качества питьевой воды. Для обеспечения безопасной жизнедеятельности вода в заданном объеме и надлежащего качества должна непрерывно подаваться в населенные пункты [5]. Качество питьевой воды оценивают по соответствию её состава показателям, разработанными рядом стран и организаций – Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ), агентством по охране окружающей среды (США), Европейским союзом (директивы ЕС), аккредитованными организациями по разработке ПДК в России [6]. В таблице приведены некоторые показатели качества воды, принятые в разных странах. Как следует из данных таблицы, значения нормативов сопоставимы между собой. По сравнению с мировыми стандартами в России допускают только более высокое содержание алюминия в питьевой воде.

Характеристика природной воды Московского региона. Водоснабжение Московского мегаполиса осуществляется из поверхностных источников Москворецко-Вазузской и Волжской систем, которые расположены на территории трёх областей – Московской, Тверской и Смоленской [2, 5]. По значению удельного комбинаторного индекса (УКИЗВ) загрязненность воды на отдельных участках Московского тракта меняется от оценки «загрязненная» до оценки «грязная» [7]. Многолетние наблюдения за составом воды в черте города подтверждают высокое бактериальное загрязнение Москва-реки. Mикробиологические показатели исходной воды значительно превышают нормативные требования, предъявляемые к питьевой воде (таблица). Одновременно существует ряд показателей качества поверхностной воды, которые в стационарных условиях слабо подвержены сезонным колебаниям. Минерализация (общее содержание растворимых твердых веществ) незначительно меняется по сезонам года и обычно не превышает 300 мг/л.

Содержание тяжёлых металлов ниже значений ПДК. Незначительные сезонные колебания их концентраций практически не меняют существующего фона. Исключение составляет содержание железа, его средняя концентрация в водоемах составляет 1,1–1,3 ПДК, и увеличивается в половодье. Концентрация нефтепродуктов составляет в среднем 0,04–0,05 мг/л, что в 6–7 раз ниже значений ПДК для воды. Экстремальные ситуации в водоёмах возникают при несанкционированных сбросах неочищенных стоков и в период паводков.

Управление водными ресурсами. Охрана природных вод от влияния антропогенных и климатических факторов относится к числу актуальных вопросов, связанных с безопасностью населения мегаполисов. В 1970-х гг. в Европе для управления природными ресурсами была создана система наблюдений и принятия решений (СППР, DSS – Decision Support System). Одним из подклассов этой системы является мониторинг качества воды и управление водными объектами (СМ ВО). В Московском регионе по этому принципу создан програм- мный комплекс «Река Москва». Он включает в себя три составляющих – проведение мониторинга качества воды, передачу данных анализов в центр управления и их обработку в центре управления для принятия решений по минимизации экологических рисков для окружающей среды [7, 8]. Мониторинг представляет собой сложную систему наблюдения и контроля. Для выполнения поставленной задачи места контроля качества воды должны быть географически обоснованы, время проведения анализов минимизировано. В ОАО «Мосводоканал» создана и хорошо отработана система мониторинга. Контроль организован на всём пути следования воды. Показатели качества воды фиксируются постоянно на станциях автоматического контроля или определяются в ручном режиме службой «Мосводоканала». Все данные анализов поступают в информационную систему «Аналитик + Лаборатория Водоканала» с удобным интерфейсом, разработанную в соответствии с ГОСТ ИСО/МЭК 17025-2009 «Общие требования к компетентности испытательных и калибровочных лабораторий». Полученные данные дают возможность скоординировать водохозяйственные мероприятия, не допустить катастрофических явлений на трёх взаимосвязанных системах, питающих Московский мегаполис [7], и обеспечить его устойчивое снабжение качественной питьевой водой. Автоматический контроль осуществляется в автономных, полностью автоматизированных комплексах. Автономная станция контроля качества воды состоит из приемной части, которая включает в себя анализирующие, регистрирующие и передающие устройства. Автоматические станции могут быть выполнены в двух вариантах. В первом варианте измерение параметров воды происходит непосредственно в водоёме. Вода равномерно проходит через приемные камеры, размещенные на определенной глубине. Анализирующий блок улавливает сигналы датчиков и преобразует их в сигнал для автоматической регистрации. Передающее устройство передает информацию по линиям связи на центральный пульт. В другом варианте автоматического контроля насосы осуществляют забор воды из поверхностного источника. Она поступает в измерительный блок, расположенный на берегу. Результаты измерений поступают на блок аппаратуры передачи данных и далее в центр сбора и обработки информации. Автоматические станции контроля определяют 8–11 показателей, повторность измерения которых составляет до 48 раз в сутки. В автоматическом режиме определяют обобщенные показатели состояния водоёма – температуру, водородный показатель, величину окислительного потенциала, электропроводность и др. Используют в основном электрохимические методы анализа. Для изменения применяются многоканальные автоматические анализаторы АМА-201, АМА-201М, АМА-202. Станции могут работать автоматически без присутствия персонала до 15 дней.

В Московском регионе по пути следования воды установлены 7 станций автоматического контроля [7–9]. Группа ученых из Москвы [9] и Обнинска [10] разработала научные основы и накопила большой практический опыт по работе автоматических станций. Цикл работ этих авторов может быть рекомендован для изучения и углублённой подготовки студентов [5, 6, 9, 10]. Передвижные лаборатории используются для экстренного анализа воды в местах аварийного сброса, или для проведения планового контроля в пунктах, не оборудованных автоматическими установками. При плановой работе анализы проводят 1–2 раза в неделю. В передвижных лабораториях могут быть определены до 30 показателей качества воды. Измерительные приборы монтируют на базе транспортных средств. Анализы проводят в автоматическом и ручном режимах, используя электрохимические, фотокалориметрические и химические методы анализа. В системе «Мосводоканала» по тракту движения воды оборудовано около 40 пунктов для забора проб воды. Стационарные лаборатории расположены на всем пути следования природной воды, на станциях водоподготовки и в контрольных пунктах города. В Московском мегаполисе от верховий водоисточников до водозабора на станциях водоподготовки расположено около 140 пунктов контроля. Воду ежедневно анализируют по 15–20 показателям. Анализ питьевой воды в городской распределительной сети осуществляют аккредитованные отделения Центра контроля качества воды г. Москвы. Общее количество отбора проб – более 120. Ежедневно проводят до 4 тысяч определений физико-химических показателей, до четырёхсот – бактериологических и до трёхсот – гидробиологических анализов. В экстремальных случаях возникает необходимость «расшифровки» неизвестного вещества в составе водных природных объектов. Такие анализы являются сложными. Их проводят с использованием современного оборудования и физико-химических методов анализа – масс-, атомно-адсорбционной или атомно-эмиссионной спектроскопии [4], ионной и жидкостной хроматографии [11–13]. При подборе научных публикаций для обучения студентов следует обратить особое внимание на чистоту постановки эксперимента. В статьях должен быть обоснован выбор метода анализа, который зависит от фазового состава примеси. Дополнительно в зависимости от характера природной среды должна быть разработана методика проведения выбранного метода анализа [14, 15]. В г. Москве для проведения анализа в сложных природно-антропогенных условиях создан независимый российско-французский центр контроля качества воды «Роса».

Работа системы СМ ВО Московского мегаполиса в экстремальных условиях. Экстремальные условия при подготовке питьевой воды возникают в период таяния снега и при несанкционированных сбросах неочищенных стоков. В первом случае образуется большая масса талой воды, которая по своим показателям отличается от качества воды в Москве-реке. В талой воде мегаполиса было обнаружено 11 токсичных элементов тяжелых металлов в концентрациях, превышающих значение ПДК (4). Ряд элементов – натрий, калий, магний, кальций и др. – хотя и имели значения концентраций в пределах ПДК, но эти значения были выше, чем в природной воде. На рисунке приведены данные для 4-х элементов – натрия, железа, меди и свинца.

Для удобства анализа значения ПДК для каждого элемента приняты за единицу (левый столбец). Далее, средний столбец показывает содержание этого элемента в Москве-реке по отношению к ПДК, а правый столбец – содержание элемента в талой воде по отношению к ПДК. В талой воде значения концентраций элементов по отношению к их концентрации в природной воде были превышены: натрия – в 8 раз, железа – в 2 раза, меди – в 45 раз, свинца – в 12 раз. В мегаполисе талую воду не сбрасывают в реку, снег вывозят на очистные сооружения. Ежегодно в Московской акватории фиксируется 320–360 случаев высокого антропогенного загрязнения воды (7). 72–75 % из них – это превышение содержания соединений азота, что свидетельствует о поступлении в природные водоемы неочищенных хозяйственно-бытовых стоков, в основном из подмосковных городов. В 20 % случаев отмечался повышенный сброс органических веществ. Особую опасность представляет поступление в водоемы токсичных органических веществ промышленного производства – пестицидов и гербицидов, лекарств, СПАВ. Сброс неочищенных стоков с повышенным содержанием металлов был отмечен в 3,5 % случаев.

Заключение

Поверхностные водные источники периодически подвергаются антропогенным и климатическим возмущениям, во время которых концентрации отдельных компонентов многократно возрастают. Для сохранения качества питьевой воды в процесс её подготовки должны быть включены технические решения по регулированию состава природных источников. На примере Московского мегаполиса изложена современная система организации наблюдения и управления водными ресурсами. Показано, что основанные на данных мониторинга, скоординированные водохозяйственные мероприятия, проводимые в рамках взаимосвязанных водных систем, позволяют обеспечить устойчивое водоснабжение города качественной питьевой водой. С целью повышения эрудиции и компетенции будущих специалистов в области водоподготовки изложенный материал предлагается для обучения студентов.