Scientific journal
Modern high technologies
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,279
AUTOMATED SYSTEM FOR MONITORING THE ENVIRONMENTAL SAFETY OF DRINKING WATER IN ARTIFICIAL RESERVOIRS
Введение
Как и во всем мире, сегодня большое внимание уделяется ряду недостаточно изученных, но важных проблем, таких как антропоэкосистема, ноосферные экологические вопросы, стабилизация состояния окружающей среды и др. В результате роста численности населения и усиления хозяйственной деятельности человека воздействие на окружающую среду стало более частым и положительный баланс между обществом и природой постепенно начал нарушаться. Новый этап формирования экологических знаний относится к XX в., когда в эпоху индустриализации и урбанизации обострились взаимоотношения природы и общества. В этот период, особенно с ростом общественного производства, начало возрастать использование природных ресурсов, а технологические процессы стали более интенсивными.
В настоящее время признаки экологического кризиса постепенно распространяются на многие страны, приобретая глобальный характер. Особую актуальность приобрела проблема глобального изменения климата. Существуют несколько версий, объясняющих данную ситуацию: потепление, вулканическая активность, изменения магнитного поля Земли, антропогенная деятельность. Примерами документов, рассматривающих данную проблему и непосредственно направленных на ее решение, являются Декларация ООН по охране окружающей среды и Рио-де-Жанейровская декларация по окружающей среде и развитию1.
К таким документам также относятся Декларация тысячелетия ООН2, Йоханнесбургская декларация по устойчивому развитию3 и СОР-29 в Баку [1].
Все предлагаемые решения основываются на использовании новейших достижений современной науки и техники для преодоления этих проблем. Конечный результат, то есть благополучие человеческого общества в целом, зависит от состояния окружающей среды, в которой оно живет. В связи с вышеизложенным усилия государств направлены на приведение экологических закономерностей в равновесие, в частности на обеспечение экологической безопасности питьевой воды. Как и для многих стран, для Республики Азербайджан проблема дефицита водных ресурсов является актуальной.
Существует несколько подходов к понятию экологической безопасности: экологическая безопасность как система решений; экологическая безопасность как часть национальной безопасности; экологическая безопасность как совокупность процессов, ситуаций и действий, направленных на обеспечение экологического баланса; экологическая безопасность как неотъемлемая часть охраны окружающей среды; экологическая безопасность как часть производственного процесса; экологическая безопасность как мера опасности [2, 3].
Когда речь идет об экологической безопасности и охране окружающей среды, воздух и вода находятся на первом месте. Именно по этой причине эксперты ООН назвали сокращающиеся запасы питьевой воды наиболее актуальной проблемой нового тысячелетия. Почти 80 % существующих в мире заболеваний связаны с низким качеством воды. Длительное употребление воды с повышенным содержанием железа вызывает заболевания печени и желудочно-кишечного тракта. При избыточном содержании соединений марганца в воде возникают нарушения нервной системы, слабость, утомляемость и сонливость. Кипячение воды устраняет жесткость, обусловленную содержащимися в ней ионами кальция и магния, однако не снижает концентрацию других примесей.
Из-за использования загрязненной воды 1,8 млн детей на Земле умирают, не достигнув пятилетнего возраста. Этот показатель превышает число смертей в результате войн, от малярии и других опасных заболеваний. Рост численности населения и неэффективное использование водных ресурсов признаны основными причинами дефицита воды. Так, численность населения планеты достигла 7 млрд чел. и, по прогнозам, к 2050 г. возрастет до 11 млрд. В среднем на Земле рождается 156 чел. в минуту, 25 000 чел. в день и 80 млн чел. в год. При том что 20 л чистой воды достаточно для удовлетворения суточных потребностей одного человека, из-за чрезмерного потребления допускаются значительные потери воды. Ученые считают, что к 2025 г. две трети населения мира столкнутся с нехваткой воды. Около 2 млрд. чел. уже живут в условиях водного дефицита. Нехватка воды сдерживает экономическое развитие многих стран и приводит к международной нестабильности.
Рис. 1. Джейранбатанское водохранилище Примечание: составлен авторами на основе источника Google Earth
Океаны и моря являются естественными водными объектами Земли. Водохранилище представляет собой искусственный водоем, предназначенный для накопления, последующего использования и регулирования стока воды. В процессе эксплуатации гидрологический режим водохранилищ, то есть параметры и технические средства, необходимые для их функционирования, контролируются человеком. Тем не менее со временем эти искусственно созданные объекты занимают свое место в общем круговороте воды. Среди морфометрических характеристик водохранилищ наиболее важными являются площадь зеркала S, объем V и амплитуда колебаний уровня воды [4]. Приходная часть их водного баланса формируется за счет атмосферных осадков, поверхностного стока, конденсации водяного пара на поверхности водохранилища, а также подводных притоков. Расходная часть включает поверхностный сток, подземный сток и испарение воды с поверхности водохранилища. Структура водного баланса произвольного водохранилища учитывает взаимосвязь различных видов притока и оттока воды.
Количество водохранилищ в мире превышает 60 000. Их площадь поверхности составляет 400 000 км², что эквивалентно площади 11 Азовских морей. В Азербайджане насчитывается более 140 водохранилищ. Их общий объем составляет 21,5 км³. Лишь 61 водохранилище имеет объем более 1 млн м³.
Реки Кура, Араз и Самух являются источниками питьевой воды для Абшеронского полуострова. Объектом исследования в данной работе является Джейранбатанское водохранилище (ДВ) (рис. 1), которое по объему и площади занимает седьмое место. ДВ питается водой из Самур-Абшеронского канала, а водоочистная станция, построенная на его берегу, обеспечивает значительную долю питьевой воды для Абшеронского полуострова. Емкость водохранилища составляет 186 млн м³, из которых используется 150 млн м³. Максимальная длина водохранилища 8,74 км, максимальная ширина 2,15 км, длина береговой линии 23,3 км, максимальная глубина 28,5 м, минимальная глубина зарегистрирована на уровне 14,5 м, а площадь зеркала воды 1389 га. Одним из основных преимуществ водохранилища является то, что очистка собранной здесь воды на 80 % происходит естественным образом, после чего она поступает на обработку [5].
Цель исследования – выявление путей повышения качества питьевой воды и обеспечения ее экологической безопасности. В статье рассматривается разработка интеллектуальной информационной системы для обеспечения экологической безопасности воды в ДВ. Это включает: защиту водохранилища как физического объекта, мониторинг параметров входа и выхода воды, обработку лабораторных анализов, экспертные оценки, сравнительный анализ измеряемых показателей в ДВ с нормативами, установленными для питьевой воды международными организациями, такими как Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ), Европейским союзом (ЕС), ГОСТ Содружества Независимых Государств (СНГ). Основная задача – это разработка подхода, направленного на создание централизованно управляемой интеллектуальной информационной системы.
Материал и методы исследования
В исследовании анализировалось качество питьевой воды, поставляемой на Абшеронский полуостров. Для оценки использовались лабораторные измерения воды, взятой из водохранилищ, распределительных сетей и общественных объектов, включая школы, детские сады, больницы и предприятия общественного питания.
Техническая база и методы очистки. В качестве методов очистки применяются низкоскоростные, скелетные, грубые, микроскоростные, двухслойные и высокоскоростные фильтры. В отделе водоснабжения Джейранбатанского водохранилища, расположенного на Абшеронском полуострове, преимущественно используются двухслойные фильтры; вода проходит через очистители и горизонтальные промывочные устройства. В инвентаре отдела имеются 16 отстойников, 14 горизонтальных отстойников, 36 фильтров, 2 насосные станции и 6 магистральных водопроводов.
Средства измерения и мониторинга. Для контроля физико-химических параметров воды в водоемах, распределительных сетях и искусственных водохранилищах используются специальные электронные анализаторы и одноразовые тест-полоски: pH-метр, хлорометр, TDS-метр, кондуктометр и спектрометр [6].
Для анализа содержания тяжелых и токсичных металлов применяется ICP-MS, позволяющий определять концентрации с точностью до нано- и пикограмм. Раствор нагревается до 10 000 °C и подвергается воздействию плазмы для выявления концентрации металлов в воде.
Методология обработки данных и ИТ-составляющая. Параметры качества воды определяются в соответствии с региональными стандартами СНГ (ГОСТ 2874-82). Пробы воды берутся в шести-семи ключевых точках водохранилища: канал Тахтакорпу – Джейранбатан, у водозабора, южная насосная станция, юго-западная дамба, южная дамба, северо-восточная дамба и вход на мелиорационную насосную станцию.
Для систематизации и обработки данных создается база данных. Работа системы включает:
− сортировку входных и выходных параметров;
− обработку баз данных, определяющих качество воды;
− выбор и обоснование математического аппарата обработки данных;
− тестирование системы [7].
Классификация и систематизация данных. Для комплексной оценки качества воды и формирования структуры базы данных показатели были разделены на следующие группы:
Физико-химические и органолептические: мутность, цветность, запах, привкус, pH, общая минерализация и жесткость.
Химические (токсикологические): содержание неорганических и органических веществ, включая тяжелые металлы (анализ методом ICP-MS).
Микробиологические и паразитологические: наличие бактерий группы кишечных палочек, общее микробное число и наличие патогенных микроорганизмов.
Радиологические: показатели удельной суммарной альфа- и бета-активности.
Этапы обработки информации в системе:
1. Сбор данных: регистрация первичных результатов лабораторных измерений из семи контрольных точек.
2. Систематизация: импорт данных в структурированную базу для обеспечения быстрого поиска и фильтрации.
3. Аналитическая обработка: применение математического аппарата для выявления взаимосвязей между параметрами (например, влияние мутности на эффективность фильтрации) [8].
4. Валидация: тестирование системы на соответствие региональным стандартам (ГОСТ 2874-82).
Функционирование системы включает в себя следующие этапы: сортировку входных и выходных параметров, обработку массивов данных, определяющих показатели качества воды, выбор и обоснование математического аппарата для анализа, а также итоговое тестирование системы.
Данная архитектура (рис. 3) позволяет интегрировать результаты измерений, полученных с помощью портативных анализаторов (рис. 2), и данные высокоточного лабораторного анализа (ICP-MS) в единую интеллектуальную среду для оперативного управления качеством водных ресурсов [9].
Рис. 2. Комплекс измерительных средств системы мониторинга качества воды на Джейранбатанском водохранилище Примечание: составлен авторами по результатам данного исследования
Рис. 3. Архитектура интеллектуально-информационной системы Примечание: составлен авторами по результатам данного исследования
Рис. 4. График изменения углекислого газа в точках замера Примечание: составлен авторами по результатам данного исследования
В архитектуре интеллектуальной информационной системы (рис. 3) реализован замкнутый контур управления с наличием обратных связей, что является принципиальным для систем управления организационного типа. Обратная связь формируется на основе результатов мониторинга и аналитической обработки данных о текущем состоянии качества воды. Полученные отклонения от нормативных значений передаются в модуль принятия решений, где формируются управляющие воздействия. Например, система зафиксировала, что на юго-западной дамбе в просачивающихся водах отмечен резкий скачок СО2 (рис. 4). Модуль принятия решений в режиме, близком к реальному, вырабатывает управляющие команды (уменьшить или приостановить поступление воды, увеличить силу фильтрации, изменить дозу реагента, передать сообщение по инстанциям). Результаты реализации управляющих команд повторно поступают в систему в виде новых измеряемых параметров, что обеспечивает непрерывный цикл управления и адаптацию системы к изменяющимся условиям, то есть реализуется замкнутый цикл: мониторинг → анализ → принятие решений → управляющее воздействие → обратная связь → мониторинг, что обеспечивает повышение эффективности и оперативности управления качеством водных ресурсов.
Сравнение тестов
|
№ |
Тест |
Назначение |
Строгость |
Применение |
|
1 |
Бонферрони |
Любые сравнения |
Высокая |
Небольшое число тестов |
|
2 |
Даннета |
Сравнение с контролем |
Очень высокая |
Сложные сравнения |
|
3 |
Шеффе |
Любые комбинации |
Средняя |
Контроль и эксперимент |
|
4 |
Тьюки |
Все попарные сравнения |
Средняя |
Равные группы |
Примечание: составлена авторами на основе полученных данных в ходе исследования.
Программная реализация и статистический аппарат. Для реализации интеллектуальной информационной системы было разработано программное обеспечение в среде Visual Studio Code с использованием веб-технологий:
− HTML [10]: структурирование контента (списки, таблицы, иерархия данных);
− CSS [11]: визуальное оформление и компоновка интерфейса;
− JavaScript [12]: обеспечение динамической логики и последовательного выполнения операционных алгоритмов.
Для обработки временных рядов и выявления статистически значимых различий между показателями качества воды применялся программный пакет ANOVA [13]. При обнаружении различий использовались пост-хок тесты для уточнения их локализации. Сравнительная характеристика примененных методов множественных сравнений (Бонферрони, Шеффе, Даннета и Тьюки [14] (таблица).
Начиная с 2018 г. проведено большое количество экспериментов по мониторингу водных ресурсов. Только за 2021–2023 гг. выполнено 720 измерений, успешно прошедших независимую экспертизу. Достоверность полученных результатов оценивается в пределах 87–94,7%. Система осуществляет непрерывный анализ всех измеряемых показателей в различных временных масштабах: ежедневно; ежемесячно; ежеквартально; сезонно.
Такой подход обеспечивает всестороннее сравнение данных и позволяет выявлять долгосрочные тренды изменения качества воды в Джейранбатанском водохранилище.
Результаты исследования и их обсуждение
Использование ICP-MS позволило определить содержание тяжелых и токсичных металлов с точностью до нано- и пикограмм. Анализ показал, что концентрации металлов в воде находятся в пределах безопасных норм, а повторная обработка сточных вод с реагентами (жидкий хлор, манганаты LT-31) обеспечивает значительное снижение загрязняющих веществ.
Состав воды в водохранилище определяется многопараметрическими факторами. Взаимосвязь показателей указывает на необходимость комплексного анализа: сортировка параметров, обработка баз данных, выбор математического аппарата и тестирование системы.
Параметры качества воды оценивались по физическим (температура, мутность, цвет, вкус, запах), химическим (сульфиды, растворенные газы, хлориды, щелочность, основные ионы, биогенные вещества), органолептическим и микробиологическим (общие колиформы, фекальные колиформы, энтерококки, E. coli) показателям.
Для анализа данных за 2014–2024 гг. были сформированы временные ряды, учитывающие трендовые, периодические и сезонные составляющие. Многомерный анализ временных рядов показал взаимное влияние параметров и динамику изменений качества воды с течением времени. Архивные данные 2014–2017 гг. и измерения 2018–2024 гг., выполненные авторами, позволили выявить долгосрочные тенденции и отклонения от норм. Архитектура интеллектуальной информационной системы обеспечила мониторинг, обработку данных и принятие решений на основе текущего состояния воды. Модуль мониторинга контролировал измерительные параметры, модуль обработки обеспечивал прогнозирование и анализ баз данных, а модуль принятия решений формировал команды для исполнительного механизма и отображал соответствие состояния воды международным стандартам.
Программное обеспечение, разработанное на платформе Visual Studio Code с использованием HTML, CSS и JavaScript, позволило автоматизировать обработку данных и построение временных рядов. Использование пакета ANOVA и пост-хок тестов (Бонферрони, Шеффе, Даннета, Тьюки) позволило выявить статистически значимые различия между группами показателей, что важно для корректировки процессов водоснабжения.
За 2021–2023 гг. было проведено 720 измерений, достоверность результатов составила ≈ 87–94,7%. Ежедневный, ежемесячный, ежеквартальный и сезонный анализ всех показателей обеспечил всестороннюю оценку качества воды и своевременное принятие мер по устранению выявленных отклонений.
Рис. 5. График изменения магния в точках замера Примечание: составлен авторами по результатам данного исследования
Рис. 6. Фрагмент сравнения показателей Примечание: составлен авторами по результатам данного исследования
Обработка измеряемых показателей позволяет управлять частотой количества измерений. То есть количество измерений тех показателей, которые имеют тенденцию к стационарности (pH, мутность и др.), можно уменьшить по сравнению с измерениями других веществ (нитраты NO₃⁻, нитриты NO₂⁻, фосфат-ион PO₄³⁻). Такой анализ проводился для всех показателей [15].
Например, CO₂ в водоемах – это важная часть водной экосистемы. Он участвует в поддержании кислотно-щелочного баланса воды, избыток CO₂ приводит к снижению pH (закисление). На рис. 4 показаны колебания СО2 в точках забора воды за период с июня 2021 г. по июнь 2022 г.
Или еще один пример. Резкий всплеск магния (mg) в районе юго-западного забора был зарегистрирован в марте 2018 г., сигнал передан в исполнительный механизм, после чего в течение апреля – мая наблюдения велись ежедневно, удалось приостановить рост, и только в июне 2018 г. выброс mg был восстановлен в пределах допустимой нормы. С июня 2018 г. по настоящее время отклонений не наблюдалось (рис. 5).
Для питьевой воды обычно рекомендуется концентрация магния до 30–50 мг/л, выше 70–100 мг/л вода может вызывать выраженный послабляющий эффект. Как видно из графика, магний постоянно ниже 30 мг/л, что указывает на нормальный и безопасный уровень. Воду с магнием ниже 30 мг/л можно пить без ограничений. Для информации отметим, что концентрация магния < 10 мг/л – это очень мягкая вода, 10–30 мг/л – оптимальный диапазон, > 50 мг/л – может вызывать дискомфорт при регулярном питье.
В разработанную систему включен еще один дополнительный блок сравнения текущих показателей воды в ДВ с нормами этих же показателей, принятых для питьевой воды в ВОЗ, ЕС, СНГ и Абшеронского полуострова (рис. 6).
Измеряемых международных показателей качества воды 35, в ДВ измеряются 22, совпадающих 16. Анализ проведен для всех совпадающих показателей.
Заключение
В результате проведенного исследования была разработана и обоснована автоматизированная интеллектуальная информационная система мониторинга экологической безопасности питьевой воды в искусственных водохранилищах. Предложенный подход обеспечивает комплексный контроль физико-химических, органолептических и микробиологических показателей качества воды, что позволяет получать объективную и достоверную информацию о ее состоянии в режиме, близком к реальному времени.
Использование модульной архитектуры системы, включающей блоки мониторинга, обработки данных и принятия решений, обеспечивает эффективное формирование и анализ многомерных временных рядов, выявление тенденций изменения показателей качества воды и прогнозирование потенциально экологических рисков. Применение методов дисперсионного анализа (ANOVA) и пост-хок тестов повышает статистическую достоверность результатов и позволяет корректно оценивать значимость выявленных отклонений от нормативных значений.
Известно, что время для принятия управленческих решений связано с принятыми методами лабораторного контроля, которые включают отбор проб воды из точек измерения, его транспортировку в лабораторию, проведение анализов, обработку результатов, передачу информации по инстанции, принимающей решение. В среднем время составляет от 18 до 48 и более часов. Экспериментально доказано, что использование системы мониторинга и обработки данных в режиме, близком к реальному времени, сокращает этот показатель до 3–4 ч.
Сравнение текущих показателей качества воды с нормативами, принятыми ВОЗ, ЕС, СНГ и на региональном уровне, обеспечивает универсальность и практическую применимость системы в различных условиях эксплуатации. Реализация предложенной системы на примере Джейранбатанского водохранилища подтверждает ее эффективность для оперативного выявления угроз экологической безопасности и оптимизации процессов водоподготовки.
[1] Рио-де-Жанейрская декларация по окружающей среде и развитию // Документ Организации Объединенных Наций. [Электронный ресурс]. URL: http://www.un.org/ru/documents/decl_conv/declarations/riodecl.shtml (дата обращения: 04.04.2026).
[2] Декларация тысячелетия Организации Объединенных Наций // Официальный сайт ООН. [Электронный ресурс]. URL: http://www.un.org/ru/documents/decl_conv/declarations/summitdecl.shtml (дата обращения: 04.04.2026).
[3] Йоханнесбургская декларация по устойчивому развитию // Официальный сайт ООН. [Электронный ресурс]. URL: http://www.un.org/ru/documents/decl_conv/declarations/decl_wssd.shtml (дата обращения: 04.04.2026).
Conflict of interest
Financing
Библиографическая ссылка
Гидаятзаде С. Г., Аммосова Н. В., Абдуллаева Г. Г. АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА МОНИТОРИНГА ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ В ИСКУССТВЕННЫХ ВОДОХРАНИЛИЩАХ // Современные наукоемкие технологии. 2026. № 5. С. 43-50;URL: https://top-technologies.ru/en/article/view?id=40774 (дата обращения: 01.06.2026).
DOI: https://doi.org/10.17513/snt.40774