1 - Камчатский государственный технический университет

ISBN 5–328–0033–1
Вестник
Камчатского
КамчатГТУ
государственного
технического
университета
Научный
журнал
Основан в 2002 г.
ВЫПУСК
1
2002
Петропавловск-Камчатский
РЕДАКЦИОННАЯ КОЛЛЕГИЯ
Богданов В.Д.
(главный редактор)
доктор технических наук, профессор, ректор Камчатского государственного технического университета
Алексейко Л.Н.
доктор химических наук, профессор, первый проректор ДВГТУ (г. Владивосток)
Шевцов Б.М.
доктор физико-технических наук, профессор, директор Института космических исследований и распространения радиоволн КНЦ ДВО РАН (г. ПетропавловскКамчатский)
Лягуша Ф.Ф.
доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой физики
Морского государственного технического университета (г. Санкт-Петербург)
Латкин А.С.
доктор технических наук, профессор, заместитель директора по научной работе
НИИГТЦ ДВО РАН (г. Петропавловск-Камчатский)
Степанов И.И.
доктор геолого-минералогических наук, профессор, заведующий центральной химической лабораторией Института вулканологии ДВО РАН (г. ПетропавловскКамчатский)
Короченцев В.И.
доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой акустики
ДВГТУ (г. Владивосток)
Коротков В.И..
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой экологии и безопасности жизнедеятельности ДВГТУ (г. Владивосток)
Васильцов Е.А.
доктор технических наук, профессор кафедры физики Морского государственного
технического университета (г. Санкт-Петербург)
Карлик Я.С.
доктор технических наук, ведущий научный сотрудник ЦНИИ «МОРФИЗПРИБОР»
(г. Санкт-Петербург)
Пугачёв С.И.
доктор технических наук, профессор, начальник отдела ЦНИИ «ГИДРОПРИБОР»
(г. Санкт-Петербург)
Каневский И.Н.
доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой физики МГУ
им. Г.И. Невельского (г. Владивосток)
Дацун В.М.
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой технологии продуктов питания
Дальневосточного государственного рыбохозяйственного университета (г. Владивосток)
Клочкова Н.Г.
доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории прибрежных
экосистем КамчатНИРО (г. Петропавловск-Камчатский)
Проценко И.Г.
доктор технических наук, профессор, заместитель директора Камчатского центра
мониторинга рыболовства (г. Петропавловск-Камчатский)
Научный редактор выпуска Исаков А.Я.
Редактор Скрыпкина И.В.
Адрес редакции:
683003, г. Петропавловск-Камчатский,
ул. Ключевская, 35.
Тел. (4152) 12–45–38. Факс (4152) 12–45–38
E-mail: rector@marine.kamchatka.su
Верстка Исаков А.Я., Бабух Е.Е.
Оригинал-макет Бабух Е.Е.
Лицензия ИД № 02187 от 30.06.00 г. Подписано в печать 15.11.2002 г. Формат 61*86/16. Печать офсетная. Гарнитура
Times New Roman. Авт. л. 25,17. Уч.-изд. л. 26,06. Усл. печ. л. 25,22. Тираж 120 экз. Заказ № 595
Отпечатано на полиграфическом участке редакционно-издательского отдела
Камчатского государственного технического университета
© КамчатГТУ, 2002
2
Вестник Камчатского государственного технического университета
УДК 532:623.8/.9
МОДЕЛИРОВАНИЕ УСЛОВИЙ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ
КАВИТАЦИИ В ВИХРЕВЫХ ПОТОКАХ ЖИДКОСТИ
А.Я. Исаков (КамчатГТУ)
Рассмотрены особенности возникновения и моделирования гидродинамической кавитации
в условиях вихревых потоков жидкости, образующихся при вращении в замкнутом цилиндрическом объеме системы лопастей в виде прямоугольных пластин с различными углами атаки. Показано, что, наряду с традиционными для гидродинамики критериями подобия: гомохронности,
Фруда, Эйлера и Рейнольдса, – необходимо вводить в рассмотрение критерии, характеризующие
количество и распределение по размерам зародышей конкурентной фазы.
Features of occurrence and modeling hydrodynamic capitation in the conditions of vortical streams
of the liquid formed at rotation in the closed cylindrical volume of system of blades as rectangular plates
with various angles of attack are considered. It is shown, that alongside with criteria of similarity traditional for hydrodynamics – homophonous, Frud, Euler and Reynolds, – it is necessary to consider the criteria, describing quantity and distribution on the sizes of germs of a competitive phase.
Гидродинамическая кавитация в неподготовленных жидкостях, как известно, представляет собой
разрыв сплошности жидкости в зонах локального понижения давлений, обеспечивающих потерю устойчивости присутствующими в движущейся жидкости зародышами конкурентной фазы в виде микрополостей, заполненных газом. Определение режимов движения жидкости, соответствующих возникновению кавитации при обтекании тел, представляется весьма важным для оптимизации
технологических режимов, когда используются разрушительные свойства кавитации: ударные волны,
высокоскоростные микроструи, локальное повышение температуры и т. п.
Известно, что многие технологические процессы, протекающие в системах «жидкость – жидкость»
и «жидкость − твердое тело», имеют пороговый характер. Так, например, процесс эмульгирования, т. е.
разрушения капель несмешивающейся жидкости, возможен только при достижении в потоке определенных значений относительных скоростей и ускорений. В работе [1] показано, что в эмульсиях типа
«масло – вода» для относительных ускорений а и скоростей v имеют место соотношения:
a>
π 2σ W F
< rW > (ρ W − ρ F )
2
, v>
πσ W F (ρ W + ρ F )
< rW > ρ W ρ F
,
(1)
где <rw> − начальный размер сферической частицы воды, находящейся в потоке масла (далее в судовом жидком топливе), σW/F − коэффициент поверхностного натяжения на границе раздела вода − топливо, ρW, ρF − плотность воды и топлива соответственно.
Результаты оценок по уравнениям (1) величин ускорения и скоростей для капель воды от <rW(min)>
= 1⋅10-6 м до <rW(max)> = 1⋅10-2 м приведены на рис. 1. Так, например, капля размером
<rW> = 1⋅10-3м, в соответствии с рассматриваемой
моделью, теряет устойчивость при ускорении а =
v, м / с
a, м / с2
π2σ W F
8
2
a=
10
470 м/с и скорости v = 0,28 м/с, капля радиусом
8
2
< rW > (ρ W − ρ F )
<rW> = 1⋅10-6 м начинает терять устойчивость при
величине ускорения а = 4,7⋅106 м/с2 и скорости
6
10
πσ W F (ρ W + ρ F ) 6
v ≅ 2,7 м/с. На основании полученных данных можv=
< rW > ρ W ρ F
но прийти к следующему заключению.
Рассматриваемая модель потери устойчивости
4
10
4
поверхности дает достаточно правдоподобные
величины кинематических параметров движения
жидкости в окрестностях капли. Большие величи2
10
2
ны ускорений говорят о том, что для разрушения
капель воды в топливе изменения достаточно малых по модулю скоростей должны происходить за
0
1
короткие промежутки времени. Например, для капель с
-6
-4
-5
-3 < r >, м
10
10
10
-5
-7
W
10
<rW> = 1⋅10 м характерное время τ ∼ v/a ∼ 5,7⋅10 с.
Источником кавитации при этом могут служить
Рис. 1. Критические значения ускорений и скоростей
как высокоинтенсивные колебания твердых поверхностей (ультразвуковая или акустическая кавитация), так и особенности гидродинамических те103
Проблемы современного естествознания
чений при обтекании тел (гидродинамическая кавитация). Наиболее распространено применение в
технологических целях акустической кавитации, возбуждаемой магнитострикционными
вателями. При производстве эмульсий, диспергировании и растворении твердых тел было
но [2], что дисперсность при прочих равных условиях определяется стадией развития кавитации.
На рис. 2 показана зависимость нормированной дисперсности водотопливной эмульсии от относиной мощности, развиваемой магнитострикционным
преобразователем. Наличие оптимальных значений rmin
r
мощности
POpt
показывает
необходимость
венного определения условий возникновения и
0,8
кания кавитации с целью выбора режимов,
POpt
вующих пузырьковой форме кавитации. Особенности
возникновения и протекания акустической кавитации 0,4
исследованы
достаточно
подробно.
стью
выпускаются
специализированные
0
вые устройства, оптимизированные под конкретные
Pmin P
1,4
0,2
0,6
1,0
технологические процессы [3, 4].
Ультразвуковые устройства, несмотря на
Рис. 2. Зависимость нормированной дисперсности
видные технологические достоинства, не могут
эмульсии от относительной мощности
использоваться при создании аппаратов большой
производительности и в качестве вспомогательных в существующих технологических схемах. Так,
например, в условиях топливных систем судовых вспомогательных котлов
(W+F)Em
при производстве альтернативного топлива в виде водотопливной эмульW
сии ультразвуковая аппаратура интегрируется плохо, т. к., во-первых,
бует для своего обслуживания достаточно квалифицированного персонала,
F
во-вторых, необходимая производительность по проточной схеме (рис. 3)
Рис. 3. Проточная схема
может достигаться только при использовании достаточно мощных ультраполучения эмульсии
звуковых устройств, потребляющих из судовой сети порядка 20−25 кВТ.
Существенно проще в эксплуатации эмульгирующие устройства
ханического типа, когда необходимая для эмульгирования энергия
EE ≅
3Vf ϕ σ W F
(2)
< rw > (1 − ϕ )
вводится в обрабатываемые среды посредством вращающихся лопастей
(рис. 4). В аппарате с перегородками, которые позволяют передавать
жидкости большую энергию по сравнению с гладкостенными устройствами, можно выделить два циркуляционных контура, занятых
вихревым движением. Верхний тороидальный циркуляционный контур
ограничен плоскостью вращения лопастей и поверхностью жидкости,
нижний − плоскостью вращения и дном аппарата. Обтекание лопастей,
расположенных перпендикулярно плоскости вращения, сопровождается
возникновением в межлопастном пространстве цилиндрических вихрей
в виде шнуров (рис. 5). Центры вихрей представляют собой зоны
женного давления:
p
∫
p0
∞
ρ v2
dp = − L
dr =
r
r
∫
r
ρLv2
dr ; p − p 0 =
r
∞
∫
r
∫
∞
ρLv2
dr ,
r
Рис. 4. Схема течений
в механическом смесителе
(3)
где р − текущее значение давления в функции радиальной координаты r, отсчитываемой от центра
вихря, v − линейная скорость жидкости в области вихревого движения, p0 − внешнее гидростатическое давление, ρL − плотность жидкости. Для областей внутри вихревого движения, т. е. при r < rv,
давление будет изменяться, стремясь к минимуму в центре вихрей:
ρ L ω 2v rv2
3
= p 0 − ρ L ω 2v rv2 ,
(4)
2
2
где ωv − угловая скорость жидкости в области вихревого движения. Газовые зародыши будут терять
устойчивость в центре вихрей при понижении там давления до величины [5]
p = p 0 − ρ L ω 2v rv2 +
104
Вестник Камчатского государственного технического университета
ωm
v(r)
L
V1
ri
M
V2
ωv
ωv
Рис. 5. Схема вихревой
системы лопасти
Рис.6. Вихревая кавитация за тыльной стороной лопасти
p kr = p s −
⎛ 2σ ⎞
⎟⎟
⎜⎜
⎝R0 ⎠
2
3 3
2σ
p0 − ps +
R0
≅ ps −
4σ .
3R kr
(5)
В последнем уравнении σ − коэффициент поверхностного натяжения, ps − давление насыщенных
паров, R0, Rkr − начальное и критическое значение радиуса газонаполненного зародыша. Приравнивая
далее уравнения (4) и (5), придем к следующему соотношению:
3
4σ
p 0 − ρ L ω 2v rv2 ≤ p s −
,
2
3R kr
или
4σ
3
≅ ρ L v 2kr ,
3R kr 2
где vkr − критическая линейная скорость движения жидкости в области вихря. Полагая внешнее давление и давление насыщенных паров жидкости постоянными величинами, введем обозначение
(p0 – ps) = pi и перепишем последнее уравнение, разрешив его относительно критической скорости:
p0 − ps +
v kr ≥
⎞
2 ⎛4 σ
⎜⎜
+ p i ⎟⎟ .
3ρ L ⎝ 3 R kr
⎠
(6)
Скорость, при которой в центрах вихрей (рис. 6) будут появляться кавитационные события, определяется, таким образом, геометрией аппарата, в котором вращается система лопастей, геометрией
самих лопастей и физическим состоянием жидкости, прежде всего количеством и распределением по
размерам кавитационных зародышей.
Теория вихревых движений жидкости в настоящее время разработана только для относительно
простых случаев обтекания тел симметричной формы [6, 7]. Вихревое движение также может возникать в свободном течении жидкости вследствие влияния вязкости: отдельные микрообъемы ламинарно движущейся жидкости, принадлежащие разным слоям, имеют неодинаковые значения количества
движения, что приводит в конечном счете к возникновению градиентов давления, т. е.
ρ v2 ⎞
d ⎛
⎜ Pg + L ⎟ ≠0 ,
dl ⎜⎝
2 ⎟⎠
где d l – элементарное расстояние между слоями жидкости, движущейся по круговым траекториям,
P0 − гидростатическое давление в зоне возникновения кавитации, ρ L v 2 2 – скоростной напор.
Наличие градиента давления приводит к искривлению траекторий движения, т. е. к беспорядочному разрушению поверхностей раздела. Возникновение вихрей наблюдается также и при обтекании
тел произвольной формы, обладающих гидродинамическим сопротивлением. Вихри и в этом случае
возникают потому, что есть поверхности раздела. Даже ламинарный поток на плохообтекаемых те105
Проблемы современного естествознания
лах, таких как шар, цилиндр, пластина, расположенная перпендикулярно вектору скорости набегающей жидкости, имеет точку раздела. Набегающий на лопасть шириной bл поток разделяется на два,
которые встречаются за тыльной стороной и образуют систему из двух вихревых шнуров. Скорость
частицы жидкости представится как
r
r
r
vv = vx i + vy j + vzk .
Вращение жидкости вокруг оси вихря становится возможным при условии
⎛ ∂v z ∂v y
⎜⎜
−
∂z
⎝ ∂y
⎞
⎟⎟ ≠ 0 .
⎠
Как было показано в работе [8],
⎧v y = rv ω v cosω v t,
⎪
(7)
⎨v z = −rv ω v sinω v t,
⎪v = f(n, d , ζ , Г ,℘),
m
m
D
⎩ x
где vx, vy, vz − проекции скорости на оси координат, когда ось х совпадает с осью вихря. Частицы жидкости, составляющие вихрь, совершают сложное движение, в состав которого входит вращательное и поступательное движение, причем скорость поступательного движения vx определится так [10]:
< v x >≈ 4,35nd
m 3
ζm
,
Г 2D℘
(8)
где n – частота вращения мешалки, dm – диаметр мешалки, ζ m – сопротивление лопастей,
Γ D = D A d m – отношение диаметра корпуса аппарата к диаметру используемой мешалки,
℘ = 8(H D A + 1) – параметр заполнения аппарата.
Необходимо отметить, что все компоненты скорости вихревого движения являются функциями
геометрических параметров аппарата и мешалки, а также режимов обтекания лопастей и реологических свойств жидкости:
v z , v y = f (n, d m , ζ m , Γ D ,℘, ρ, μ ) .
(9)
Модуль и направление вектора скорости на основании уравнения (7) запишется так:
v = v 2x + v 2y + v 2z = rv2 ω 2v + v 2x ,
( )
r r
cos v; k =
rv ω v sinω v t
rv2 ω 2v + v 2x
,
( )
r r
r ω cosω v t
cos v; j = v v
,
rv2 ω 2v + v 2x
( )
4,35nd m 3 ζ m Γ 2D
r r
cos v; i =
rv2 ω 2v + v 2x
.
Ускорение частицы, находящейся в зоне вихревого движения, будет нормальным, потому что
dv x
⎧
⎪a x = dt = 0,
⎪
dv y
⎪
= −rv2 cosω v t, ⇒
⎨a y =
dt
⎪
dv z
⎪
2
⎪a z = dt = − rv sinω v t,
⎩
106
r
a = a n = rv ω 2v .
(10)
Вестник Камчатского государственного технического университета
Из системы уравнений (10) следует, что тангенциальное ускорение частицы равно нулю, потому что
развиваемая модель строится в предположении стационарности составляющей скорости vx = сonst, однако, строго говоря, эта величина тоже зависима, и прежде всего от расстояния до оси вращения.
Так как линейная скорость набегающего потока vL = 2πnri (рис. 5) зависит от ri, то ∂ v x ∂t ≠ 0 ,
т. е. скорость частицы меняется в зависимости от ее положения на протяжении лопасти.
Нормальное ускорение позволяет определить радиус кривизны траектории исследуемой частицы
жидкости RM:
an =
v2
v 2 rv2 ω 2v
, ⇒ ρ M = rv + x 2 .
=
ρM
ρM
rv ω v
(11)
Уравнение (11) указывает на постоянство радиуса кривизны частицы, которая при ∂ v x ∂t = 0
действительно имеет место как для всякой винтовой линии постоянного шага. Увеличение составляющих vx и vL при движении частицы в вихревом шнуре приводит к тому, что вихрь перестает быть
цилиндрическим, параллельным плоскости лопасти и начинает отклоняться от ее поверхности, так
что его центральная линия принимает криволинейную форму, близкую к параболе.
При моделировании гидродинамической обстановки в аппарате с отражательными перегородками и активным элементом в виде мешалки с лопастями, перпендикулярными плоскости вращения,
возможно выполнение только геометрических и кинематических условий подобия, т. е. соблюдение
пропорциональности линейных размеров модели и натуры, а также подобия поля скоростей. Другими
словами, возможно выполнение линейного масштаба подобия и подобия поля скоростей. Для динамического подобия потоков, как известно [11], необходимо выполнение еще трех условий. Вопервых, в сходных точках потоков должны проявляться силы одной и той же природы. Во-вторых,
соотношение между силами различной природы в сравниваемых точках потоков должны отличаться
в одно и то же число раз. В-третьих, граничные и начальные условия для течений модели и натуры
должны отличаться только масштабом задаваемых параметров. Третье условие, наиболее сложновыполнимое на практике, означает, в частности, что дифференциальные уравнения движения для модели и натуры должны отличаться только масштабными постоянными коэффициентами. Выполнение
геометрических и динамических условий моделирования автоматически обеспечивает кинематическое подобие. Течения в любой точке аппарата, включая область вихревого движения, должны в модельном и натурном вариантах подчиняться уравнениям Эйлера−Стокса:
⎫
∂v y1
⎛ ∂v
∂v
∂v ⎞
∂p
ρ1 ⎜⎜ x1 + v x1 x1 + v y1
+ v z1 z1 ⎟⎟ = ρ1Fx1 − 1 + ρ1 ν1∇ 2 v x1 ,⎪
∂x1
∂y1
∂z1 ⎠
∂x1
⎝ ∂t1
⎪
⎪
∂v y1
⎛ ∂v y1
∂v
∂v ⎞
∂p
⎪
ρ1 ⎜⎜
+ v x1 x1 + v y1
+ v z1 z1 ⎟⎟ = ρ1Fy1 − 1 + ρ1 ν1∇ 2 v y1 , ⎬
∂x1
∂y 2
∂z 2 ⎠
∂y1
⎝ ∂t1
⎪
⎪
∂v y1
⎛ ∂v z1
∂v x1
∂v z1 ⎞
∂p1
2
⎜
⎟
+ v y1
+ v y1
+ v z1
ρ1 ⎜
= ρ1Fz1 −
+ ρ1 ν1∇ v z1 ; ⎪
⎪⎭
∂x1
∂y1
∂z1 ⎟⎠
∂z1
⎝ ∂t1
(12)
⎫
∂v y2
⎛ ∂v
∂v
∂v ⎞
∂p
+ v z2 z2 ⎟⎟ = ρ 2 Fx2 − 2 + ρ 2 ν 2∇ 2 v x2 ,⎪
ρ 2 ⎜⎜ x2 + v x2 x2 + v y2
∂x 2
∂y 2
∂z 2 ⎠
∂x1
⎝ ∂t 2
⎪
⎪
∂v y2
⎛ ∂v y2
∂v
∂v ⎞
∂p
⎪
ρ 2 ⎜⎜
+ v x2 x2 + v y2
+ v z2 z2 ⎟⎟ = ρ 2 Fy2 − 2 + ρ 2 ν 2∇ 2 v y2 , ⎬
t
x
y
z
y
∂
∂
∂
∂
∂
2
2
2 ⎠
1
⎝ 2
⎪
⎪
∂v y2
⎛ ∂v
∂v
∂v ⎞
∂p
ρ 2 ⎜⎜ z2 + v y2 x2 + v y2
+ v z2 z2 ⎟⎟ = ρ 2 Fz2 − 2 + ρ 2 ν 2∇ 2 v z2 . ⎪
⎪⎭
∂x 2
∂y 2
∂z 2 ⎠
∂z1
⎝ ∂t 2
(13)
Индексы 1, 2 относятся к натуре и модели, F1, F2 − силы, действующие в характерных точках модельного и натурного потоков, p − давление, vx, vy, vz − проекции скорости частицы в исследуемых
точках натуры и модели, ∇ − оператор, ρ − плотность, ν − коэффициент кинематической вязкости.
Системы уравнений (12), (13) позволяют при геометрическом и кинематическом подобии потоков записать следующие масштабные коэффициенты:
линейный масштаб подобия
107
Проблемы современного естествознания
x1 y1 z1 l 1
=
=
=
= Cl ,
x 2 y2 z2 l 2
(14)
v y1
v x1
v
v
=
= z1 = 1 = Сv,
v x2
v z2
v2
v y2
(15)
t1
= Ct ,
t2
(16)
Fx1 Fy1 Fz1 F1
=
=
=
= CF ,
Fx2 Fy2 Fz2 F2
(17)
подобие поля скоростей
подобие временных масштабов
подобие действующих внешних сил
подобие давлений, плотностей и кинематических вязкостей
δp1
= Cp ,
δp 2
ρ1
= Cρ ,
ρ2
ν1
= Cν .
ν2
(18)
Масштабные коэффициенты уравнений (14−18), определяющие, по сути, соотношения между
действующими силами, позволяют записать четыре стандартных, независимых и безразмерных критерия: гомохронности Н, Фруда Fr, Эйлера Eu и Рейнольдса Re:
H=
vt
,
l
Fr =
v2
,
gl
Eu =
δp
,
ρv 2
Re =
vl
.
ν
(19)
Равенство соответствующих критериев обеспечивает подобие натурного и модельного потоков
для вязкой несжимаемой жидкости, подчиняющейся уравнениям Эйлера−Стокса. При моделировании кавитационного обтекания лопастей указанные выше критерии являются необходимыми, но недостаточными. Критерий Эйлера применительно к кавитационным явлениям можно модернизировать, превратив его в так называемое кавитационное число:
p kr − p s
,
(20)
ρv 2
где pkr − критическое значение давления, при котором возникают единичные (как правило, один раз
в секунду) кавитационные события. Как показали эксперименты, проведенные с перемешивающими
устройствами, здесь имеет место явно выраженная зависимость кавитационного числа от центробежного критерия Рейнольдса. На рис. 7 приведены экспериментальные зависимости, полученные при вращении в оребренном аппарате стержней (зависимости 1, 2) и пластин (зависимости 3, 4, 5). Зависимость 1
получена для стержня шириной b = 3 мм, зависимость 2 − шириной b = 6 мм. Вращающиеся стержни в
плане масштабного эффекта можно охарактеризовать следующей эмпирической зависимостью:
χi =
χ i = 6,87bRe 0,365 .
(21)
Зависимость 3 получена для пластин, расположенных перпендикулярно плоскости вращения,
с шириной b = 3,6 мм; зависимость 4 − для пластин с шириной b = 10 мм. Масштабный эффект в этом
случае характеризовался уравнением вида:
χ i = 8,25bRe 0,469 .
(22)
Таким образом, два критерия из четырех не являются независимыми, что дает все основания считать их необходимыми, но недостаточными.
Как и во всяких замкнутых гидродинамических системах с циркуляционными контурами, физическое состояние жидкости в перемешивающих устройствах не может рассматриваться как стационарное, особенно при анализе кавитационных явлений, зависящих, прежде всего, от концентрации и
размеров кавитационных ядер.
108
Вестник Камчатского государственного технического университета
Для выяснения особенностей этого обстоятельства были проведены экспериментальные
вания начальных стадий кавитации акустическим методом. Возникновение кавитации фиксировалось
по специфическим амплитудным и спектральным изменениям акустического излучения. 100
χi
Структурная схема аппаратурного комплекса
6
5
приведена на рис. 8. Аппаратурный комплекс позволял проводить все типовые гидроакустические
4
4
измерения в полосе частот 5 – 500 кГц при использовании системы последовательного и па2
раллельного спектрального анализа. Перемеши3
вающее устройство 8 совместно с приводом 3
монтировалось на поворотном устройстве бассей- 108
на 9 и было помещено в звукоизоляционный ко6
2
жух. Привод перемешивающего устройства 3 питался регулируемым напряжением, снимаемым с
4
выпрямительного устройства 1. Система регули1
ровки частоты вращения мешалки состояла из
2
вращающегося диска с прорезями 4, осветителя 5,
Re C
фотоприемника 6, электронного частотомера 7.
1
6
Изменение частоты вращения мешалки 10 могло
2
4
2
4
6
8
4
6
5
10
10
10
осуществляться вручную
или автоматически
темой протяжки бумаги самописца уровня 2.
Рис. 7. Зависимости кавитационного числа χi = f(Re)
мерительный тракт бассейна 9 был снабжен набодля стержней и пластин
ром
пьезокерамических
калиброванных
тонкостенных сферических гидрофонов 11 диаметром 5, 3 и 1 см. Сигналы с гидрофонов, которые подключались поочередно в зависимости от диапазона исследуемых частот, подавались на усилитель 12,
выходное напряжение которого одновременно поступало на последовательный 13 и на параллельный 14
анализаторы спектра. Широкополосный усилитель
15 служил для согласования выходов анализаторов
5
4
спектра с самописцем 16 и осциллографом 17.
1
На рис. 9 приведена уровнеграмма записи на
Hz
6
7
3
ленту самописца интегрального уровня шума в по+лосе частот 10 – 100 кГц при использовании вход8
ного делителя на 50 дБ. В качестве источника кавитационного шума использовалась лопастная
мешалка, фотографии которой показаны на рис. 6.
9
Вертикальные метки на уровнеграмме соответст10
2
вуют следующим значениям центробежного критерия Рейнольдса: 1 – Rec = 1⋅105; 2 – Rec = 1,38⋅105;
12
11
3 – Rec = 1,68⋅105; 4 – Rec = 1,8⋅105; 5 – Rec = 2⋅105.
Как видно из данных рис. 9, на зависимости
L = f(Rec) можно выделить три характерных уча13
стка частот вращения: первый
участок,
ствующий турбулентному режиму обтекания лоAC
16
пастей, простирается от малых значений
критерия Рейнольдса до критического значения
15
Rec(cr) ≅ 8,7⋅104, когда кавитация наблюдается в
виде единичных событий, протекающих в сред14 AC
нем один раз в секунду. Второй участок характери17
зуется резким возрастанием уровня шума и имеет
место в диапазоне чисел Рейнольдса от Rec = 1⋅105. Рис. 8. Структурная схема аппаратурного комплекса для
Суть эксперимента заключалась в следующем: поисследований акустического излучения кавитационного
средством ступенчатого увеличения частоты враперемешивания
щения мешалки достигался режим обтекания лопастей, при котором кавитационные события следовали с частотой в 1 Гц, затем на фиксированной частоте
вращения осуществлялась запись акустического шума при максимальной чувствительности приемного
тракта и при постоянной скорости протяжки ленты самописца, снабженного входным делителем 25 дБ.
109
Проблемы современного естествознания
Рис. 9. Интегральный уровень кавитационного шума LA = f(Rec)
На ленте фиксировались выбросы, обусловленные единичными кавитационными событиями. На
рис. 10 показана частота следования кавитационных событий в зависимости от времени циркуляции рабочей жидкости в аппарате. Кривая 2 соответствует водопроводной неотстоявшейся воде, а кривая 1 −
дистиллированной, отфильтрованной воде. Зависимости N = f(τ) дают основание полагать, что при перемешивании объема V = 0,05 м3 за счет циркуляции происходит изменение концентрации ядер, способных терять устойчивость при заданной температуре, т. е. их количество в единице объема воды составит:
R max
n(R 0 ) =
∫
R0
dR 0
3α(τ )
,
4π(R max − R min ) R 30
(23)
где R0 − текущее значение радиуса зародыша, 100
8 N,Гц
α − объемное газосодержание, зависящее в данном
6
2
случае от времени перемешивания (циркуляции)
жидкости, Rmax, Rmin − максимальный и минималь4
ный размер зародыша. В перемешивающих уст2
ройствах гидродинамическая кавитация, таким образом, имеет свойство к самоподдерживанию, т. е.
108
наблюдается процесс, подобный цепной реакции.
Проведенные наблюдения показали, что даже
6
1
при исполнении строго всех условий (20) модели4
рование кавитационных процессов в замкнутых
2
объемах с циркуляционными контурами является
некорректным. При рассмотрении кавитационных
τ ,мин
явлений общепринятые критерии динамического
2
6 8
6 100
4
4
2
0,1
10
подобия должны быть дополнены независимым
безразмерным коэффициентом, учитывающим Рис.10. Зависимость частоты следования кавитационных
концентрацию и распределение по размерам заро- событий от времени работы перемешивающего устройства
дышей конкурентной фазы:
αQ
,
(24)
nVA
где Q − секундный объем жидкости, проходящий через поперечное сечение мешалки, n − частота
вращения мешалки, VA − объем аппарата. Этот критерий подобия не лишен недостатков, потому что
не учитывает динамику распределения зародышей по размерам.
Kc =
Литература
1. Исаков А.Я. Утилизация нефтесодержащих вод в судовых условиях: – ПетретропавловскКамчатский: КамчатГТУ, 2002. − 253 с.
2. Физика мощного ультразвука. Физические основы ультразвуковой технологии / Под ред.
Л.Д. Розенберга. – М.: Наука, 1970. – 687 с.
3. Фридман В.М. Ультразвуковая химическая аппаратура. – М.: Машиностроение, 1967. − 210 с.
4. Ультразвуковая технология / Под ред. Б.А. Аграната. – М.: Металлургия, 1974. – 594 с.
5. Перник А.Д. Проблемы кавитации. 2-е изд. – Л.: Судостроение, 1966.− 439 с.
6. Турбулентность. Принципы и применения / Под ред. У. Фроста, Т. Моулдена; Пер. с англ. –
М.: Мир, 1980. – 535 с.
110
Вестник Камчатского государственного технического университета
7. Седов Л.И. Механика сплошной среды. Т.2. Гидромеханика. − М.: Наука, 1973. − С.7 – 325.
8. Бэтчелор Дж. Введение в динамику жидкости / Пер. с англ. – М.: Мир, 1973. −758 с.
9. Исаков А.Я., Исакова В.В. Особенности вихреобразования при обтекании лопастей перемешивающих устройств // Материалы научно-технической конференции КамчатГТУ «Проблемы современного естествознания». – Петропавловск-Камчатский: КамчатГТУ, 2002. − С. 34 −47.
10. Аппараты с механическими перемешивающими устройствами вертикальные. Метод расчета.
РТМ 26-01-90-76. СССР / Брагинский Л.Н., Васильцов Э.А., Исаков А.Я., Ушаков В.Г. и др. − М.:
Всесоюзное промышленное объединение, 1976. −160 с.
11. Патрашев А.Н., Кивако Л.А., Гожий С.И. Прикладная гидромеханика. − М.: Воен. изд-во
М-ва обороны СССР, 1970. − 605 с.
УДК 550.343.550.433
АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ МОНИТОРИНГА
ПОВЕРХНОСТНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ
А.А. Дуров, Н.Н. Портнягин (КaмчатГТУ)
Анализ результатов наблюдений за изменениями электрических потенциалов в поверхностном
слое Земли выявил наличие связи между распределением электрических потенциалов и сейсмотектонической активностью в регионе. Но поскольку наблюдения проводились эпизодически и кратковременно, конкретных фундаментальных зависимостей, на основании которых можно было бы
осуществлять прогноз сейсмической опасности, установлено не было. Для получения практически
значимых длительных непрерывных рядов наблюдений разработана и изготовлена автоматизированная система. В сообщении приведена схема аппаратной части комплекса и первые результаты
регистрации изменений распределения поверхностных электрических потенциалов.
The analysis of results of supervision behind changes of electrical potentials in a superficial layer of
the Earth has revealed presence of communication between distribution of electrical potentials and seismic
activity in region. But as the supervision were carried out incidentally and quickly, concrete fundamental
dependences, on the basis of which it would be possible to carry out the forecast of seismic danger, was not
established. For reception of practically important long continuous numbers of supervision, the automated
system is worked out and made. In the message the circuit of the hardware of a complex and first results of
registration of changes of distribution of superficial electrical potentials are given.
В настоящее время проблема поиска и изучения предвестников землетрясений является одной из
важнейших фундаментальных проблем науки о Земле. Одно из возможных направлений поиска – это
изучение естественных поверхностных электрических потенциалов Земли. Анализ результатов проведенных наблюдений выявил наличие связи между распределением электрических потенциалов
и сейсмотектонической активностью в регионе. На основе данных о вариациях электрических потенциалов можно предположить возможность среднесрочного прогнозирования сейсмической опасности. Однако, поскольку наблюдения проводились эпизодически и кратковременно, конкретных фундаментальных зависимостей, на основании которых можно было бы осуществлять прогноз сейсмической
опасности, не установлено. Для получения практически значимых предвестников землетрясений, а тем
более, для установления фундаментальных зависимостей между параметрами электрических потенциалов и сейсмической активностью, необходимы длительные непрерывные ряды наблюдений, которые
могут быть получены лишь с помощью автоматизированной системы мониторинга.
В связи с вышеизложенным проблема фундаментальных исследований поверхностных электрических потенциалов и установления фундаментальных зависимостей между ними и сейсмотектонической активностью в Камчатском регионе является, по нашему мнению, весьма актуальной. Решение данной проблемы позволит существенно повысить вероятность среднесрочного прогноза
разрушительных землетрясений и снизить их экономические и социальные последствия.
Жизненная необходимость прогнозирования сейсмической опасности в Камчатском регионе,
в том числе и на основе данных о параметрах электрических потенциалов, дала толчок к установлению тесных научных контактов между сотрудниками Камчатского государственного технического
университета (КамчатГТУ) и учеными Института вулканической геологии и геохимии ДВО РАН
(ИВГиГ ДВО РАН). В рамках совместных научных и практических исследований учеными разработано и изготовлено несколько вариантов устройств, с помощью которых были проведены полевые
исследования естественных поверхностных электрических потенциалов Земли и других информаци111
Проблемы современного естествознания
онных параметров (например вариаций водорода и радона в подпочвенном газе) в долине реки Паратунки и в районе Долины гейзеров и получены данные, подтверждающие наличие фундаментальных
зависимостей между указанными параметрами и сейсмической активностью в регионе.
Долины рек Начилова и Карымшина расположены на территории государственного Кроноцкого
заповедника. Здесь на небольших участках сосредоточены разнообразные вулканические и гидротермальные объекты, отсутствуют промышленные предприятия и места проживания населения с транспортными артериями. Все это позволяет проводить комплексные фундаментальные исследования поверхностных электрических потенциалов и сейсмической активности.
Создание автоматизированной системы мониторинга изменений поверхностных электрических
потенциалов на основе современных аппаратно-программных средств, способной в течение длительного периода времени (не менее 2–3 месяцев) в автономном режиме осуществлять сбор, предварительную обработку и анализ информации, позволит выполнять предварительный прогноз сейсмической опасности на основе полученных данных.
Создание долгосрочной непрерывной базы данных о вариациях поверхностных электрических
потенциалов (и других информационных параметров) будет способствовать установлению фундаментальных зависимостей между ними и региональной сейсмической активностью.
В дальнейшем станет возможной разработка методик обнаружения предвестников сейсмической опасности и прогноза сильных землетрясений в Камчатском регионе на основе данных, получаемых с помощью автоматизированной системы мониторинга, и создание программных средств, реализующих данные методики.
Фундаментальные научные результаты, полученные при выполнении данного проекта, в дальнейшем
могут быть использованы в других сейсмически активных районах нашей страны для прогноза сильных
землетрясений на основе данных о параметрах активности радона и электрических полей.
Ключевыми показателями эффективности проекта являются:
– создание автоматизированной системы мониторинга, способной в течение длительного периода в автономном режиме осуществлять сбор, предварительную обработку и анализ данных;
– создание долгосрочной информационной базы данных о параметрах распределения электрических потенциалов в долине рек Карымшина и Пиначева с возможностями быстрого поиска и графического отображения информации в различных временных отсчетах;
– установление количественных и качественных зависимостей между вариациями поверхностных электрических потенциалов и региональной сейсмической активностью;
– создание и апробация методик обнаружения предвестников сейсмической опасности и прогноза сильных землетрясений в Камчатском регионе на основе данных об изменениях поверхностных
электрических потенциалов.
Для реализации указанного проекта нами совместно с учеными ИВГиГ ДВО РАН разработан
и установлен на одном из научных полигонов Института геофизики стационарный аппаратнопрограммный комплекс для сбора данных по шести интересующим нас параметрам, в т. ч. по вариациям поверхностных электрических потенциалов. Функциональная схема аппаратной части приведена на рис.1. Узкополосный ФНЧ включен на выходе датчика поверхностных электрических потенциалов для подавления помех, связанных с деятельностью человека. После аналого-цифрового
преобразования сигналы запоминаются и накапливаются в блоке памяти около пяти суток, а при заполнении памяти автоматически переписываются в память ПЭВМ, куда одновременно вводятся данные из таймерного блока о дате и точном времени каждого отсчета.
Рис. 1
112
Вестник Камчатского государственного технического университета
Фрагмент результатов записей электрических потенциалов за период около 5 месяцев приведен на рис. 2.
Рис. 2
Одновременно выполняется сбор данных о сейсмической активности в регионе. Дальнейшая совместная математическая обработка полученной информации позволит установить, имеется ли устойчивая связь между вариациями поверхностного электрического потенциала и землетрясениями,
а также определить возможность краткосрочного прогноза сейсмической активности.
УДК 629.12
ВОЗМОЖНОСТЬ КОРРЕКТИРОВКИ СРЕДНЕШИРОТНОЙ ЭМПИРИЧЕСКОЙ
ИОНОСФЕРНОЙ МОДЕЛИ ПО СИГНАЛАМ ГЕОСТАЦИОНАРНЫХ СПУТНИКОВ
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ ТИПА WAAS
А.В. Аношин (КамчатГТУ)
В работе проведена оценка связи величины электронной концентрации, рассчитанной по ионосферному профилю, с изменением величины ионосферной задержки для дальностей, определяемых тактико-техническими характеристиками разворачиваемой навигационной системы. Сделан вывод о возможности и перспективности корректировки ионосферных моделей по сигналам
геостационарных спутников Земли.
Evoluation of connection between electronic concentration calculated by the ionaspher profile and
the changes of the quantity of an ionosphere delay for the ranges, defined by technical features of unwinding navigational system is shown in this wirk.
Повышение точности определения координат радиопеленгационным методом непосредственно
связано с определением условий распространения радиоволн. Определение условий распространения
радиоволн вдоль трассы производится на основе модельного представления ионосферных параметров.
В настоящее время существуют различные модели ионосферы: эмпирические, теоретические,
гибридные [1].
Модели могут быть как глобальными (отражающими глобальные процессы в ионосфере), так и
региональными, описывающими более детально распределение параметров в регионе. Большинство
из этих моделей удовлетворяют требованиям, необходимым для организации радиосвязи, но обладают ограничениями при использовании их в радионавигации. Основным ограничивающим фактором
является большой период в описании ионосферных параметров, обычно 1–2 часа.
В процессе эксплуатации радиопеленгаторов возникает необходимость корректировки ионосферной модели с меньшим периодом. Такая необходимость вызвана малым периодом корреляции
ионосферы (около 15 минут). В перспективе возможность коррекции ионосферных параметров могут
предоставить системы спутниковой навигации.
В 2000–2005 гг. для одночастотных пользователей глобальной спутниковой навигационной системы GPS NAVSTAR (Global Position system; Naigation Satellite Providing Time and Ranget) планируется ввод широкозонных перекрывающихся систем [2]: американской WAAS (Wide Area Augmentation System), европейской EGNOS (Europian Geostationary Overlay System), японской MSAS (Multy
Functional Transport Augmentation System).
113
Проблемы современного естествознания
Системы предназначены обеспечить высокоточное определение координат места объектов путем транслирования поправок через систему геостационарных спутников ИНМАРСАТ-3. В поток
передаваемой информации в качестве медленно меняющихся поправок будет заложена информация
для исключения ионосферных погрешностей. Потребность данной информации обусловлена тем, что
групповая скорость распространения радиосигналов в ионосфере и тропосфере отличается от скорости распространения в вакууме, что существенно сказывается на точности местоопределения.
Данная информация будет представлять собой значение задержки вертикального распространения радиоволн с точки, расположенной на предполагаемой орбите спутника на расстоянии 400 км, на
земную поверхность. В формат передаваемого кадра закладывается 923 узловые точки для района,
обслуживаемого спутником системы ИНМАРСАТ-3. Для этих точек передается значение ионосферной задержки на частоте 1 575,5 МГц с дискретностью 0,0625 метров. Значение ионосферных поправок определяется Глобальной сетью ионосферных станций. Узловые точки распределяются следующим образом:
– в районе экватора и до 55° северной и южной широт с шагом 5° по широте и долготе;
– до широт 75° с шагом 10°;
– в районе полярных шапок по одной узловой точке.
Время обновления значений медленно меняющихся поправок составляет 5 минут, что отражает
изменение параметров ионосферы практически в режиме реального времени. Методом интерполяции
по четырем ближайшим точкам можно определить значение полной вертикальной задержки для любой точки, охватываемой системой.
Величина ионосферной задержки, выраженная в линейных величинах, равна [3]:
cTg = 40 ,4 I v f −2 ,
где величина cTg выражена в метрах, частота f – в герцах , Iv – в м–2.
Из уравнения (1) нетрудно выразить Iv. Эта зависимость получается линейной.
Полная электронная концентрация выражается формулой [4]:
(1)
∞
N• =
∫ N ( z )dh ,
(2)
Ш0
где интегрирование проводится по ионосферному профилю в пределах высот, ограниченных пределами интегрирования, для данного случая от 60 до 400 км. Значение Iv, выраженное из значения вертикальной ионосферной задержки, переданной в системе WAAS, будет характеризовать состояние
ионосферы для данной точки в определенный момент времени.
Проведенное сопоставление величины электронной концентрации, рассчитанной по ионосферному профилю, с изменением величины ионосферной задержки в пределах, обусловленных тактикотехническими параметрами разворачиваемой системы, позволяет сделать заключение о перспективности корректировки ионосферных моделей по сигналам геостационарных спутников Земли.
Литература
1. Белавин О.В., Вейцель В.А., Ульянов В.С. Коротковолновые пеленгаторы. – М.: Оборонгиз,
1959. – 124 с.
2. Пестряков В.Б. Исследование точности и помехоустойчивости фазовых радиопеленгаторов. –
Л.: Судпромгиз, 1959. – 93 с.
3. Основы долгосрочного радиопрогнозирования / АН СССР ИЗМИРАН. – М.: Наука, 1969. – 67 с.
4. Кукес И.С., Старик М.Е. Основы радиопеленгации. – М.: Советское радио, 1964. – 639 с.
114
Вестник Камчатского государственного технического университета
УДК 656.61.052
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ ВЫБОРА МАНЕВРА СУДНА
В СЛОЖНЫХ НАВИГАЦИОННЫХ УСЛОВИЯХ
Н.В. Багин (КамчатГТУ)
В работе анализируются источники информации, используемые в настоящее время судоводителями при выборе маневра судна, рассматриваются перспективы использования навигационной информации, получаемой из автоматизированных систем (АИС).
The sources of information, used by navigators for the choice of ships manoeuvre at present time are
analysed in the work. Prospects of using navigational information, obtained from the universal shipborne
automatic identification system (AIS), are shown in this work.
Непрерывный рост количества морских перевозок внутри государств и экономических связей между
ними ведет к интенсивному росту численности судов, их водоизмещения и скорости движения. Возрастает плотность транспортных потоков судов различного типа. Все труднее становится осуществлять безопасное плавание судов с высокими скоростями в опасных для судовождения районах.
Традиционные формы и методы сбора, обработки информации и принятия решений становятся
не всегда достаточно эффективными. Заложенные в системы автоматизированной прокладки методы
решения судоводительских задач постепенно устаревают вместе с самой аппаратурой.
В связи с увеличившимся в последнее время количеством столкновений судов в море одним из
актуальных на сегодняшний день стал вопрос выбора оптимального маневра и, по возможности,
в кратчайший срок. Уже считается нормой наблюдать на экране радаров одновременно несколько
десятков движущихся целей. Естественно, что ручная обработка такого большого количества целей
является трудоемкой и неэффективной. Учитывая, что в настоящее время во все сферы производства
и жизнедеятельности человека внедряются электронные вычислительные системы, судовождение
также не остается в стороне.
По числу участвующих в маневрировании судов различают три вида маневрирования: одностороннее, двухстороннее, многостороннее. Рассмотрим существующие методы и способы решения задач перечисленных видов маневрирования.
Одностороннее – это маневрирование одиночного судна относительно неподвижного объекта.
Назовем его односторонним однообъектным маневрированием. Позиция при этом виде маневрирования задается дистанцией и пеленгом или курсовым углом. Расчеты по занятию позиции производятся
в абсолютном движении методом графической прокладки или методом, основанным на использовании основных элементов маневрирования, которые рассчитываются по мореходным таблицам МТ-75.
В абсолютном движении методом графической прокладки задача решается просто и наглядно.
Маневрирование судна относительно двух и более неподвижных объектов будем называть односторонним многообъектным. При этом виде маневрирования позиция задается дистанциями (или одной
дистанцией) до нескольких объектов. Расчет маневра на занятие позиции производится в зависимости от выбранного критерия:
– занятие позиции на дистанции, менее заданной, относительно нескольких объектов – Д < Дзад;
– расхождение или уклонение от неподвижных объектов на дистанции, более заданной – Д > Дзад;
– сближение на дистанцию, менее заданной, с одними целями (Дзад1), в то же время находясь (уклоняясь) на дистанции, более заданной, для других целей (Дзад2), причем Дзад1 > Дзад2, и другие критерии.
Расчеты по занятию позиции при одностороннем маневрировании основаны на методе абсолютного
движения и производятся приемами навигационной прокладки. Данный метод нагляден, прост, не требует трудоемких расчетов, соблюдается принцип свободы выбора маневра, возможна автоматизация.
Двухстороннее – это маневрирование одиночного судна относительно одного подвижного объекта маневра. При этом виде маневрирования позиция относительно подвижного объекта маневра задается дистанцией, пеленгом или курсовым углом. Расчет маневра на занятие позиции в абсолютном
движении неудобен, так как требует значительного времени, и большинство задач маневрирования не
имеет точного и однозначного решения. Решаются только те задачи, в которых задано время маневра.
Остальные задачи решения не имеют. Поэтому расчеты по занятию позиции при двухстороннем маневрировании производятся методом, основанным на использовании основных элементов маневрирования и методом относительного движения.
Многостороннее – это маневрирование одиночного судна относительно двух и более подвижных
объектов маневра. При этом виде маневрирования позиция маневрирующему судну задается не дистанцией и пеленгом или курсовым углом, а дистанциями (или одной дистанцией) до нескольких под115
Проблемы современного естествознания
вижных объектов маневра, т. е. так же, как и при одностороннем многообъектном маневрировании.
Сложность расчета маневра на занятие позиции в этом случае заключается в том, что необходимо
одновременно учитывать перемещения нескольких целей.
Какие же способы решения задач многостороннего маневрирования существуют на сегодняшний день?
По второму критерию (расхождение или уклонение на Д > Дзад) с несколькими целями:
– способ Морева,
– способ Деменцова,
– способ Министерства Морского Флота (ММФ).
По первому критерию (выход на Д = Дзад относительно нескольких целей) – способ Ушакова–
Бундас, использующий понятие окружности и овала встреч.
Способ Морева основан на использовании свойств секторов опасных относительных курсов. Он
дает некоторую наглядность решения задачи расхождения с несколькими целями одновременно, но
не дает возможности быстро оценить обстановку, сильно загружает центр планшета, изобилует многочисленными построениями и переносами различных линий в ходе расчета. В этом случае возможно
только ручное использование.
Способ Деменцова основан на использовании метода относительных смещений. Казалось бы, на первый взгляд, этот способ достаточно быстр в решении, прост и нагляден. Но при детальном рассмотрении,
особенно в сложных ситуациях, он не работает, так как порой невозможно соблюсти неравенство времен:
время маневра должно быть в пределах наименьшего времени сближения опасных целей на кратчайшую
дистанцию относительно центра планшета. В противном случае необходимо значительно увеличивать скорость маневрирующего судна, что в сложных ситуациях крайне нежелательно. Поэтому этот способ рекомендуется только лишь для проверки расчетов и рекомендаций на расхождение со встречными целями.
Способ ММФ в настоящий момент наиболее часто используется в практике кораблевождения и
судовождения. В справочнике «Штурман флота» сказано, что этот способ обеспечивает быструю
оценку обстановки, значительно упрощает и ускоряет производство расчетов для выполнения маневра и разгружает центр планшета от дополнительных построений. С последним можно согласиться,
так как треугольники скоростей строятся на периферии планшета в местах целей, что действительно
разгружает центр планшета. Но насчет быстроты оценки обстановки, упрощения и ускорения расчетов дело обстоит не так, как хотелось бы авторам вышеуказанного справочника. При ручном использовании этого способа расчеты маневрирования по 3–4 целям занимают от нескольких минут до десятка минут. Даже при автоматизации способа ММФ нельзя быстро найти оптимальный курс
расхождения с несколькими целями одновременно, т. к. в основу способа положен метод перебора.
Более наглядным и рациональным способом решения задач маневрирования является способ Ушакова–Бундас, использующий понятие окружности и овала встреч. Однако этот способ позволяет решать
задачи многостороннего маневрирования только в двух частных случаях, когда цели изменяют дистанцию относительно маневрирующего судна в кратчайший срок или при постоянстве пеленга.
Проанализировав вышеизложенное, можно сказать, что каким бы ни был способ выбора маневра
и сколько бы ни рассматривалось целей, всегда требуются одни и те же данные, которые характеризуют параметры движения одной, двух или нескольких целей. Естественно, что, в зависимости от выбора способа решения задач, можно те или иные данные не использовать, но устройства, от которых
получают навигационные данные, остаются те же.
Итак, для решения выбора маневра судна необходимо знать следующие данные по цели: курс,
скорость, пеленг на цель, дистанцию до цели.
Помимо данных по цели, также необходимо знать параметры собственного движения – курс
и скорость, а для постановки задачи необходимо условие (как правило, это либо время, за которое
выполняется задача, либо расстояние, в соответствии с которым должны сойтись или разойтись цели,
либо и то, и другое сразу).
На текущий момент времени параметры собственного движения в счетно-решающие устройства,
как правило, вводятся автоматически с таких судовых приборов, как лаг, гирокомпас, радиолокационная станция и приемоиндикатор навигационной системы GPS. Данные, получаемые от этих устройств, с избытком характеризуют собственное движение.
Что же касается данных по целям, то тут ситуация намного сложнее. Дело в том, что на текущий
момент данные по окружающим нас целям мы можем получать только на основании наших собственных наблюдений за целями, которые мы проводим либо визуально, либо при помощи радиолокационной станции. В алгоритмы работы большинства современных радиолокационных станций заложены возможности определения параметров движения целей на основе автоматического
отслеживания траекторий их движения. Таким образом, информацию о параметрах движения окружающих судно целей, как правило, получают с радиолокационной станции.
116
Вестник Камчатского государственного технического университета
Ситуация с трудностью получения данных об окружающих судно целях может в ближайшее
время коренным образом измениться в лучшую сторону. Такое изменение связано с вводом в эксплуатацию автоматической информационной (идентификационной) системы (АИС).
Одной из особенностей построения данной системы является то, что суда, оснащенные аппаратурой системы АИС, будут передавать в УКВ-диапазоне данные, характеризующие параметры собственного движения. Эти данные могут быть приняты соседними судами и использованы как начальные условия в решении задачи выбора маневра судна.
Таким образом, с вводом в эксплуатацию системы АИС у судна появляется дополнительный орган чувств – «уши», который совместно с «глазами» (РЛС) позволяет получить более полную информацию об окружающей обстановке.
К неоспоримым плюсам следует отнести то, что получение информации об окружающих целях
будет происходить не только на основании радиолокационной обстановки, но и на основании данных, принимаемых из эфира, что дает возможность решения проблем, возникающих при прохождении узостей, когда РЛС не видит цель, загораживаемую другим, более массивным объектом.
К сожалению, в системе АИС есть и свои минусы. Дело в том, что данные о местоположении цели получаются самой целью и ею же транслируются, что неизбежно приведет к желанию эти данные
в определенных случаях, обычно связанных с нарушением законов и правил, изменить, а это может
привести к трагическим последствиям.
Литература
1. Каманин В.И. Штурман флота. М.: Воениздат, 1986. – 539 с.
2. Маринич А.Н., Устинов Ю.М., Шигабутдинов А.Р. Перспективные глобальная и региональные автоматизированные системы мониторинга, построенные на основе использования судовых комплексов ИНМАРСАТ-С/АИС. – СПб.: ГМА, 2001.
УДК 535.538
МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ РАСПОЗНАВАНИЯ НАЧАЛЬНЫХ СТАДИЙ
ВОЗНИКНОВЕНИЯ КОНКУРЕНТНОЙ ФАЗЫ В ЖИДКИХ СРЕДАХ
В.В. Исакова, А.Я. Исаков (КамчатГТУ)
В работе рассматриваются метрологические особенности измерения кавитационных порогов, соответствующих самым ранним стадиям нарушения сплошности жидкости. Процесс возникновения в жидкости конкурентной фазы в виде паровых или газовых полостей является вероятным, потому что зависит от вероятности попадания зародыша критических размеров в зону
пониженного давления. Это обстоятельство накладывает определенные требования к методам
и средствам измерения кавитационных порогов.
The work covers the metrological features of measurement of the thresh cavitations olds corresponding to the earliest stages of infringement of lequid neglegence. Process of occurrence in a liquid of a
competitive phase as steam or gas cavities is probable, because depends on probability of hit of a germ of
the critical sizes into a zone of the lowered pressure. This circumstance causes the certain requirements
to methods and means of measurement cavitations thresholds measurements.
Явление кавитации, так же как и вскипания, представляет собой процесс возникновения в жидкой сплошной среде конкурентной фазы. В случае кавитации это происходит в областях, где давление понижается до давления насыщенных паров жидкости PS. В случае кипения разрыв сплошности
наблюдается в областях с температурами, превосходящими некоторые критические значения Tсr. Значения критического давления и критической температуры могут быть определены известными уравнениями [1, 2]:
p cr = p s −
⎛ 2σ ⎞
⎟⎟
⎜⎜
⎝ R0 ⎠
3
2 ⎛ 2α ⎞
,
⎜
⎟
3 3 ⎜⎝ R 0 ⎟⎠ p − p + 2σ
s
∞
R0
117
(1)
Проблемы современного естествознания
Tcr ≈
k 2 Tk
,
⎡
σg w ⎤
ln (k1p k ) − ln ⎢p ∞ + 2,38 3 ⎥
rw α ⎥⎦
⎢⎣
(2)
где: α – объемное газосодержание;
R0 – радиус зародыша конкурентной фазы в виде мельчайшего газового сферического включения, на котором развивается событие;
σ – коэффициент поверхностного натяжения на границе раздела «жидкость – воздух»;
pk, Tk – критические значения давления и температуры;
k1, k2 – постоянные коэффициенты;
rw – радиус сферической области жидкости, подвергающейся действию растягивающих напряжений или повышенной температуры.
Как при кавитации, так и при вскипании жидкости в уравнения, определяющие начальные стадии
процессов, входят значения размеров зародышей. В уравнении (2) значение критического радиуса
зародыша можно прописать в более явном виде следующим образом. Будем считать, что событие
(взрывообразный рост зародыша) происходит при попадании в область повышенной температуры
хотя бы одного ядра критического размера. Математически это представляется в виде:
r
1=
w
αrw3
dR 0
αrw3 ⎛ 1
1 ⎞
⎜ 2 − 2 ⎟,
≈
3
⎜
(R max − R min ) R max R 0 R max ⎝ 2R max 2rw ⎟⎠
∫
(3)
где Rmax, Rmin – максимальный и минимальный размер зародышей, присутствующих в жидкости. После интегрирования и преобразований уравнения (3), получим:
R max ≈ rw 3
α
≈ 0,83 α ,
2
αrw3
0,8rw 3
⎛ 1
⎞
1
⎜
⎟,
−
2
α ⎜⎝ 2R 0 2 ⋅ 0,8rw2 3 α ⎟⎠
(4)
или
R 0 ≈ 0,561rw 3 α ,
⇒ T ≈
cr
k 2 Tk
.
⎡
4 σg w ⎤
ln (k1p k ) − ln ⎢p ∞ +
⎥
3 R0 ⎦
⎣
(5)
Таким образом, при выполнении измерений кавитационных порогов необходимо располагать
информацией о количестве и распределении зародышей конкурентной фазы по размерам. Теория зародышей в настоящее время не разработана даже на качественном уровне, потому что до конца не
ясны причины, по которым парогазовые микрополости сохраняются длительное время в жидкостях.
Дело в том, что относительно крупные зародыши должны под действием силы Архимеда всплывать,
а все прочие за счет диффузионных эффектов растворяться. Однако эксперименты, проведенные по
независимым различным методам и методикам, показывают, что кавитационная прочность жидкостей, особенно воды, не является фиксированной величиной. Кавитационная прочность изменяется в
широких пределах, причем без изменения внешних условий.
В качестве примера рассмотрим
10
результаты
акустических измерений
8
PAi
кавитационной
прочности воды, осно6
PA
ванных
на
регистрации
третьей гармо4
2
ники излучаемого импульсного сигна1,0
ла. На рис. 1 представлены результаты
0,6
обработки двух серий экспериментов с
0,4
очищенной дистиллированной и отсто0,2
явшейся
водопроводной
водой.
0,1
Сплошная
кривая
соответствует
разме2
4
6 8
10 12 14 16 18 20 t, час
рам измерений в дистиллированной
Рис. 1. Изменение относительной кавитационной
воде, пунктирная – в водопроводной.
прочности воды в течение суток
Как видно, кавитационная прочность
дистиллированной воды имеет больший разброс относительно среднего значения. Это обстоятельство может быть объяснено тем, что в дистиллированной очищенной воде концентрация зародышей
конкурентной фазы меньше, чем в водопроводной. При этом следует ожидать, что в дистиллированной воде функция распределения зародышей по размерам
118
Вестник Камчатского государственного технического университета
R max
n(R 0 ) =
∫
R0
dR 0
3α
4π(R max − R min ) R 30
(6)
будет иметь другой вид. В частности, значения максимального и минимального радиусов будут
меньшими по сравнению со значениями воды водопроводной, т. к. в водопроводной воде всегда содержатся в большом количестве гидрофобные взвеси, способные аккумулировать на себе газовые ядра. Поскольку в единице объема дистиллированной воды зародышей конкурентной фазы критического размера меньше, то вероятность возникновения кавитации при данном значении акустического
давления подвержена большему влиянию внешних факторов, в частности интенсивности внешнего
электромагнитного излучения, включая космическое.
Литература
1. Перник А.Д. Проблемы кавитации. 2-е изд. – Л.: Судостроение, 1966.− 439 с.
2. Исаков А.Я. Некоторые особенности микровзрыва капли водотопливной эмульсии // Физика
горения и взрыва.− 1986. − № 1. − С.125−126.
УДК 57.026
УЛАВЛИВАНИЕ АЭРОЗОЛЕЙ С ЦЕЛЬЮ РЕШЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ
А.С. Латкин (КамчатГТУ, НИИГТЦ ДВО РАН)
Рассмотрены проблемы и результаты исследований технико-технологических основ улавливания техногенных и природных аэрозолей. Приведены результаты внедрения разработок в промышленность и перспективные конструкции аппарата и технологической схемы для комплексного использования ресурсов высокотемпературных геотермальных теплоносителей.
Problems and results of explorations of recovery technical and technological bases of man-caused
and natural aerosols are examined. The results of projects (developments) application into the industry
and perspective constructions of the device and process flowsheet for multiple resources use of hightemperature geothermal heat-carriers are given.
Вопросы улавливания парогазовых аэрозолей являются крайне актуальными в настоящее время.
Природные и техногенные аэрозоли могут состоять из паров различных углеводородов, кислот, щелочей, воды с растворенными или сорбированными химическими, биологическими соединениями
и радионуклидами. Наибольшую опасность представляют дисперсные смеси, размер частиц которых
не позволяет осуществлять их естественное гравитационное осаждение из окружающего воздуха.
В этом случае перенос химических, биологических или радиоактивных веществ может осуществляться на тысячи километров. В конце концов это приводит к внезапному осаждению зараженного материала: либо случайно, в результате адгезии, в виде частиц или капель на поверхности, либо, что значительно опаснее, к массовому осаждению активного материала в результате попадания аэрозолей
в зону осадков (дожди, снегопады, выпадение росы, инея и т. д.). Улавливание паровых аэрозолей
возможно методами конденсации с дальнейшей коагуляцией первичных паровых кластеров и улавливанием полученных систем в специальных высокоэффективных фильтрах.
Конденсация продуктов из газовой или парогазовой среды происходит и при условии создания
изобарно-изотермического потенциала системы, превышающего равновесные условия и присутствия
центров конденсации в составе равновесных продуктов. Процесс конденсации предполагает образование новых фаз на теплообменных поверхностях, частицах других веществ, ионах, поверхностях
зародышей, возникающих произвольно в результате турбулентных пульсаций в парогазовом потоке
или объеме в результате нарушения термодинамического равновесия в системе.
Согласно классической теории нуклеации, основным параметром зародышеобразования является
увеличение парциального давления в парогазовой среде выше уровня насыщения [1]:
S = Pn / Pp,
где: S – уровень пересыщения;
Pn – парциальное давление в парогазовой среде;
Pp – равновесное давление насыщенного пара над поверхностью.
119
Проблемы современного естествознания
С увеличением кривизны поверхности возрастает парциальное давление над ней, изменение которого можно рассчитывать по уравнению Кельвина–Томсона:
Pn
m − mm
σM
= 2
= r
,
Pp ( T )
RT
RT ρ r
где: mr, mm – химические потенциалы частицы радиусом r и массивного тела, приходящегося на одну
молекулу;
R – постоянная Больцмана;
ρ , М – плотность и мольная масса конденсированного вещества;
σ – поверхностное натяжение;
Pr – парциальное давление над поверхностью с кривизной радиусом r.
Зародышеобразование в потоке или парогазовом объеме происходит в результате соударения молекул пара с образованием кластеров различного размера. Малые кластеры, парциальное давление
пара над которыми превышает их парциальное давление в газовой смеси, обладают меньшей стабильностью, чем крупные. Таким образом, сохраняются частицы, размеры которых больше критических. На поверхности образовавшихся кластеров происходит конденсация паров, растущие в процессе конденсации частицы могут сталкиваться и коагулировать. Для осуществления процесса
нуклеации в пространстве необходимо, чтобы уровень пресыщения был больше единицы; чем больше значение S, тем меньше размер критического зародыша. Конденсация на теплообменных поверхностях уже имеющихся ядер может протекать при S = 1, если же ядрами являются ионы, то конденсация может проходить и в ненасыщенном паре при S < 1. Когда определяющей стадией процесса роста
капли является доставка пара из парогазовой среды для конденсации на ее поверхности, скорость
роста определяется скоростью диффузии [1]:
ln S = ln
∂r
S −1
= DMP∞Tk
( S −1) ,
∂t
RTrρϕ
где D – коэффициент диффузии, а ϕ можно выразить следующим образом:
ϕ = 1+
1,333 Kn + 0 ,71
,
1 + Kn
где Kn – число Кнудсена.
Для реализации эффективного технологического процесса, связанного с конденсацией, коагуляцией и сепарацией, необходим многофункциональный технологический аппарат, позволяющий осуществить в своем объеме процесс конденсации части парового потока при определенных термодинамических параметрах с одновременным высокоэффективным разделением конденсата и оставшейся
части пара. В этом плане наиболее перспективными являются циклонно-вихревые устройства, которые используются в промышленности для конденсации и улавливания различных видов паров (вода,
органика, ртуть и т. д.), а также возгонов металлов и их легколетучих соединений.
В случае частичной конденсации определяющей операцией является выделение из парогазового
потока капель жидкости. Поэтому решено было исследовать улавливающую способность вихревых
аппаратов для жидких дисперсных капель и паров. На ряде предприятий Дальнего Востока были установлены конденсаторы-сепараторы циклонного типа и вихревые на основе взаимодействующих
закрученных потоков (ВЗП). Эксплуатация циклонно-вихревых устройств показала преимущество
аппаратов ВЗП по сравнению с циклонными [2].
Так, конструкция аппарата ВЗП для разделения парогазовых потоков и потоков, несущих жидкие
капли, внедренная для улавливания паров и капель масла из воздуха в цехах Владивостокского инструментального завода, развивала улавливающую способность устройства до 99,8 %, в то время как
стоявший ранее циклонный аппарат развивал эффективность до 91 %. Иными словами, при наличии
гидрозатвора на линии выведения конденсата степень осушки технологических газов в аппарате ВЗП
на порядок выше, чем у применяемых в промышленности аналогов. Вместе с тем у ВЗП выше на 5–10 %
гидродинамическое сопротивление и на 10–15 % металлоемкость, чем у циклонов с тангенциальным вводом теплоносителя. Разработанная конструкция была опробована в полупромышленных условиях для
улавливания паров кислот и щелочей при ведении гальванических и гидрометаллургических процессов,
связанных с выщелачиванием ценных компонентов при переработке полиметаллического сырья.
Следует отметить повышение удельной производительности вихревых аппаратов при увеличении уровня крутки в рабочем объеме технологического устройства при конденсации и улавливании
парогазовых аэрозолей по сравнению с улавливанием сухих пылевидных материалов. Этот эффект
120
Вестник Камчатского государственного технического университета
объясняется особенностью поведения пленки конденсата на сепарационной поверхности устройства
под воздействием потока аэрозоля в рабочем объеме при ведении технологического процесса. Привлечение чисто математических методов для расчета взаимодействия дает низкую сходимость с реальными процессами, что крайне затрудняет разработку технологических устройств для ведения совмещенных процессов конденсации и сепарации.
Поэтому для изучения эффекта были проведены экспериментальные исследования на лабораторном стенде, схема которого представлена на рис. 1. Методика проведения экспериментов заключалась в следующем: жидкость подавалась в мерную емкость 1, затем через патрубок 2, отверстия
в распыливающей головке 3 сепарировалась на внутренней поверхности трубы стеклянного корпуса 8
и в виде пленки под действием силы тяжести стекала вниз в сборную емкость 9. Для фиксирования
движения потока в жидкость емкости 1 вводились частицы окрашенного трассера, траектории движения которого фиксировались скоростной кинокамерой 4 через прозрачное стекло корпуса 8. Для
исследования влияния потока воздуха или аэрозоля на движение пленки установка располагала центробежным вентилятором 7 с регулируемым расходом воздуха.
1
2
10
6
3
.
10
5
4
7
8
9
Рис. 1. Схема экспериментальной установки для исследования скорости движения пленки жидкости на периферии вращающегося потока: 1 – мерная емкость; 2 – патрубок подвода жидкости; 3 – распыливающая головка; 4 – скоростная
кинокамера; 5 – тангенциальный шлиц ввода воздуха; 6 – система генерации аэрозоля; 7 – вентилятор рабочего воздуха;
8 – стеклянный корпус вихревой трубы; 9 – сборная емкость; 10 – кран-блокиратор
Поток воздуха по воздуховоду через тангенциальный шлиц 5 поступал в корпус 8, приобретая
закрученное движение. Генерация потока аэрозоля осуществлялась при помощи системы 6, которая
являлась уменьшенной копией системы 1–3 и вводила распыленную жидкость в поток воздуха в воздуховоде. Подача жидкости в системах 1–3 и 6 осуществлялась включением крана-блокиратора 10.
Величина скорости съемки и измеряемая длина траектории частицы трассера позволяла с точностью
до 5 % определить скорость движения пленки.
Изменение структуры закрученного потока осуществлялось при помощи вариации площади ввода тангенциального шлица 5, которая производилась за счет установки вертикальных алюминиевых
пластинок. В результате этого в ходе экспериментов величина безразмерной площади ввода потока
установки А могла изменяться в интервале от 0,01 до 0,02. В каждой серии экспериментов при вариации А сохранялся постоянный расход воздуха и жидкости.
В результате ведения экспериментов удалось получить изменения как осевой, так и тангенциальной составляющих вектора скорости движения пленки, графики которых представлены на рис. 2.
121
Проблемы современного естествознания
Wi
2
n
n
n
n
1
n
o
o
o
o
o
0
0,1
0,2
А
Рис. 2. Взаимосвязь структуры закрученного потока с характером движения пленки конденсата
по внутренней стенке модели:
W i = Wi / Wz – безразмерные составляющие вектора скорости движения пленки; Wi – размерные составляющие вектора
скорости движения пленки; Wz – величина скорости стекания пленки при отсутствии работы вентилятора; А = fвх / πDкLк –
безразмерная площадь ввода потока; fвх – величина площади ввода потока; Dк – внутренний диаметр модели аппарата;
Lк – длина корпуса аппарата; n – точки, характеризующие изменение осевой составляющей вектора скорости движения
пленки; o – точки, характеризующие изменение тангенциальной составляющей вектора скорости движения пленки
Анализ результатов исследований показывает, что при постоянных расходах жидкости через установку увеличение крутки потока воздуха или аэрозоля в рабочем объеме приводит к росту как осевых, так и тангенциальных составляющих вектора скорости движения пленки.
Следует отметить различный характер изменения составляющих при росте крутки потока, который пропорционален увеличению площади ввода потока. Осевая составляющая при увеличении
площади ввода потока имеет тенденцию к начальному возрастанию с дальнейшим выравниванием
значений. Тангенциальная же составляющая имеет тенденцию неограниченного роста в диапазоне
изменения режимных параметров проведения наших экспериментов. Характер изменения скорости
движения пленки при известном расходе жидкости дает возможность рассчитать толщину пленки,
что крайне необходимо при расчете тепло- и массообмена технологического аппарата.
Более сложную задачу представляет себой создание аэрозолей в потоке высокотемпературного геотермального флюида для извлечения из него химических соединений. Учитывая высокий энергетический
потенциал, для решения этой проблемы необходим отвод тепла от корпуса конденсатора-сепаратора,
в отличие от внедренных на предприятиях устройств для улавливания паров масел и жидкости.
Для работы с высокотемпературными парогазовыми теплоносителями, несущими химические
соединения (в частности геотермальными), нами была разработана конструкция [2], позволяющая
создать определенные термодинамические параметры в объеме аппарата ВЗП (рис. 3).
Рис. 3. Общий вид вихревого конденсатора ВЗП:
1 – патрубки тангенциального ввода теплоносителя, 2 –
патрубок вывода очищенного теплоносителя; 3 – кольцевая
камера, 4 – кольцевое отверстие, 5 – патрубок ввода охлаждающего агента, 6 – перфорированное дно камеры,
7 – патрубок ввода первичного потока, 8 – патрубок вывода шлама, 9 – патрубок вывода конденсата,
10 – перфорированные стенки камеры, 11 – внутренняя
обечайка, 12 – внешняя обечайка; 13 – патрубок вывода
охлаждающего агента
122
Вестник Камчатского государственного технического университета
Аппарат представляет из себя конструкцию, состоящую из узлов с фланцевыми соединениями, и
состоит из двух кольцевых камер 3, расположенных в верхней и нижней частях. Теплоноситель через
тангенциальные патрубки ввода 1 поступает в кольцевые камеры, где приобретает закрученное движение (спутное в обеих камерах). Нижний закрученный поток через патрубок 7 поступает в рабочий
объем аппарата 10, а верхний – через кольцевое отверстие 4.
Капли, имеющиеся и образующиеся в потоке, под действием центробежных сил закрученного
потока оседают на внутреннюю цилиндрическую поверхность. Внутренняя поверхность выполнена
перфорированной отверстиями с диаметром 2 мм в шахматном порядке с шагом 10 мм.
Отсепарированная на стенку влага по этим отверстиям вытесняется в пространство между перфорированным корпусом и внутренней обечайкой 11, где из-за пограничных эффектов отсутствует
увлекающее влияние парогазового потока рабочего объема. Под действием силы тяжести полученная
жидкость стекает вниз и удаляется из аппарата через патрубок 9 диаметром 50 мм. Для создания определенных температурных условий имеется рубашка, образованная цилиндрическими поверхностями обечаек 11 и 12, куда через патрубки 13 и 5 прокачивается реагент с необходимой температурой.
Предложенная конструкция в определенных технологических схемах позволяет осуществлять как
полную, так и частичную конденсацию паровой части теплоносителя с эффективным улавливанием и
выделением последнего и предполагает работу по следующей схеме (рис. 4). По обсадной колонне 2
скважины 1 геотермальный пар подается в технологическую систему, однако в случае необходимости
при помощи задвижек 4 через отверстие 3 он может частично или полностью сбрасываться в атмосферу. Проходя через теплообменник 5, пар приобретает необходимые термодинамические параметры и по
патрубкам 6 и 7 поступает в конденсатор ВЗП. Полученный конденсат по патрубку 14 поступает в теплообменник 15 и выводится из системы как готовый полупродукт. Для регулирования температуры на
стенке вихревого аппарата из емкости 8 по трубе 10 в кожух аппарата подается вода или пар заданной
температуры, который сбрасывается через патрубок 11.
Рис. 4. Технологическая схема установки конденсатора ВЗП для извлечения ценных соединений
из высокотемпературных парогазовых теплоносителей:
1 – геотермальная скважина, 2 – обсадная колонна; 3 – патрубок аварийного сброса флюида; 4 – задвижки;
5 – теплообменник; 6 – патрубок первичного потока; 7 – патрубок вторичного потока; 8 – емкость охлаждающего агента; 9 – патрубок продувки; 10 – линия подвода агента к конденсатору; 11 – патрубок вывода агента; 12 – вихревой
конденсатор; 13 – шламовый патрубок; 14 – линия конденсата; 15 – теплообменник; 16 – патрубок вывода
очищенного теплоносителя
Представленная технологическая схема носит принципиальный характер и впервые представлена
в работе [3]. В настоящее время имеются более совершенные и рациональные разработки. Например,
в работе [4] на основе экспериментального исследования теплообмена при конденсации пара в модели устройства с изменяемой структурой потока предложена более продуманная и реализуемая схема.
Литература
1. Касаткин А.Г. Процессы и аппараты химической технологии. – М.: Химия, 1974. – 567 с.
3. Латкин А.С. Вихревые аппараты для технологических процессов. – Владивосток: Дальнаука,
1988. – 248 с.
123
Проблемы современного естествознания
4. Кутепов А.М., Латкин А.С. Вихревые процессы для модификации дисперсных систем. – М.:
Наука, 1999. – 270 с.
5. Ляндзберг А.Р. Разработка рациональной технологии комплексного извлечения полезных
компонентов при переработке высокотемпературных геотермальных флюидов: Дис. … канд. техн.
наук. – Чита, 2002. – 177 с.
УДК 532.55
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕЧЕНИЯ В ПАРОВОДЯНОЙ СКВАЖИНЕ
А.Н. Шулюпин (КамчатГТУ)
В работе представлен обзор моделей течения в пароводяных геотермальных скважинах. Даны рекомендации по разработке моделей течения в пароводяных скважинах, направленные на повышение адекватности и уменьшения числа используемых эмпирических соотношений. Указано
на различие требований, предъявляемых к моделям при расчете течения сверху вниз и снизу вверх.
The work gives the reviw of models of flow in steam-water geothermal wells. The recomendations for
working out of models of flow in steam-water wells are presented. The recommendations are directed to
increase the adequacy and to reduce the number of used expremental correlations. The difference of the
requirements for models on calculations of top-down and bottom-up flow is shown.
Введение
Одной из глобальных проблем, стоящей перед человечеством в настоящее время, является поиск
и развитие новых технологий энергетики. Среди таких технологий не последнее место занимает геотермальная энергетика, ставшая особенно актуальной для Камчатки, обладающей соответствующей ресурсной базой и постоянно испытывающей дефицит традиционных, обычно привозных, видов топлива. Развитие геотермальной энергетики Камчатки выявило ряд проблем, связанных с пароводяными течениями.
В частности, встал вопрос о моделировании течения в пароводяной скважине.
Моделирование течения в скважинах направлено на решение двух практических задач: определение параметров на забое по результатам измерений на устье и определение параметров на устье по
заданным параметрам на забое. Первая задача преследует цель оценки параметров подземного резервуара и решается на стадии геологической разведки [1, 2]. Вторая задача преследует цель определения эксплуатационных характеристик скважин при заданном режиме эксплуатации подземного резервуара и решается на стадии проектирования разработки месторождения [3, 4]. Кроме того,
подобные модели используются для описания механизма вулканических извержений [5, 6].
Пароводяная скважина характеризуется тем, что ее ствол может быть полностью заполнен пароводяной смесью или в ее нижней части флюид находится в жидком состоянии, а в верхней части, изза вскипания при уменьшении давления, имеет место пароводяное течение. Теоретически возможны
случаи чередования участков пароводяного и чисто парового течения [7, 8], вызванные преимущественным влиянием на отдельных участках подсушивания вследствие трения и увлажнения при расширении пара, а также особенностями теплообмена с окружающими горными породами. Но такие случаи относятся к скважинам, флюид которых в основном представляет пар, и для них можно
применять методы расчета чисто паровых скважин [9]. Поэтому при моделировании течения в пароводяной скважине в качестве основного следует рассматривать второй случай, а первый считать частным случаем (отсутствие водяного участка).
Расчет на водяном участке не имеет принципиальных сложностей [10]. Сложность моделирования связана с наличием пароводяного участка. По мере течения жидкости вверх происходит снижение давления и ее вскипание, приводящее к тому, что достаточно быстро паровая фаза становится
доминирующей по объему. Поэтому возможно большое изменение паросодержания и, как следствие,
наличие всех основных режимов газожидкостного течения [11, 12] в одной скважине: пузырькового,
снарядного, эмульсионного и дисперсно-кольцевого.
Экспериментальные исследования показывают, что получаемые результаты зависят от диаметра трубы,
причем обобщить данные с уверенностью в применимости к трубам любого диаметра не удается. В то же
время выделение основных режимов течения базируется на экспериментах в лабораторных (тонких) трубках, и существует ли, например, классическое снарядное течение в трубах большого диаметра, – вопрос открытый. Следует проявлять осторожность в использовании эмпирических формул при описании течения в
скважинах. Используемые формулы должны быть проанализированы на предмет наличия явного несоответствия условиям скважин. По возможности вообще рекомендуется сократить до минимума число используемых в модели эмпирических формул, заменяя их разумными допущениями.
124
Вестник Камчатского государственного технического университета
Учитывая актуальность моделирования течения в пароводяной скважине, представляется целесообразным провести анализ работ в этом направлении. Кроме того, необходимо определить возможности
расчетных методов двухфазной гидромеханики для решения практических задач при освоении геотермальных месторождений, а также выработать рациональные подходы к разработке конкретных моделей.
Обзор работ по моделированию течения в пароводяных скважинах
Первые рекомендации по расчету пароводяных течений в скважинах были направлены на определение глубины уровня начала парообразования, который ставился в соответствие с уровнем воды
при откачке из обычной артезианской скважины [13, 14]. Необходимо отметить, что при незначительном изменении энтальпии смеси на пароводяном участке по измерению энтальпии на устье легко
определить, в соответствии с линией насыщения, давление на уровне начала парообразования. Зная
глубину этого уровня и давление на нем, нетрудно определить давление на забое, т. к. для этого необходим анализ течения на водяном участке – от забоя до уровня начала парообразования.
В общем случае для определения глубины уровня начала парообразования используется формула:
po
L=
( 1 − А )dp
∫ 4τ
py
с
,
(1)
+ ρg
D
где: L – глубина уровня начала парообразования;
py и po – давления на устье и на уровне начала парообразования;
D – диаметр трубы;
τc – касательное напряжение на стенке трубы;
ρ – плотность смеси;
g – ускорение свободного падения;
А – функция, характеризующая ускорение (доля ускорения в перепаде давления) таким образом, что
po
Δp уск = ∫ Аdp ,
(2)
py
где Δpуск – часть перепада давления, определяемая ускорением.
При некоторых допущениях интеграл в уравнении (1) легко взять аналитически. Например, в работе [15] составляющие знаменателя принимаются постоянными, соответствующими среднеарифметическому (среднему из двух значений – на устье и на уровне начала парообразования) давлению
и гомогенной модели с положением о термодинамическом равновесии фаз (гомогенная равновесная
модель). В работе [8] также взята за основу гомогенная равновесная модель, пренебрегается ускорением и составляющие знаменателя принимаются соответствующими среднеарифметической плотности смеси и среднеарифметической скорости потока. В работе [16] пренебрегается ускорением,
но рассматривается скольжение фаз, а интегрирование осуществляется с использованием распространенного приема – предположения о линейной зависимости массового расхода от глубины [17,
18]. Подход, основанный на аналитическом решении (уравнение 1), аналогичен методикам расчета газлифтных скважин [19, 20]. Однако в случае пароводяной скважины имеет место существенное влияние
термодинамических процессов, а именно процессов фазового перехода и изменения плотностей фаз.
Существенным шагом к повышению адекватности модели является использование в процессе
интегрирования уравнения (1) уравнений состояния для термодинамических параметров, входящих
в формулы для касательного напряжения и плотности смеси, т. е. последние параметры рассматриваются как функции давления. Обычно используются уравнения состояния для чистой воды и водяного пара на линии насыщения. Сложность уравнений состояния [21, 22] обуславливает необходимость численного интегрирования уравнения (1).
Широкое внедрение компьютеров в практику и развитие в этой связи численных методов позволило отойти от необходимости нахождения глубины уровня начала парообразования. Создаются модели, направленные на решение уравнения движения, причем как по изначально заданным устьевым
параметрам с целью расчета параметров на забое, так и наоборот – с целью расчета устьевых параметров по задаваемым параметрам на забое.
Простейшие гомогенные равновесные модели Дж. Элдера [23] и М. Натенсона [24] предполагали
пренебрежение ускорением и изменением энтальпии смеси в процессе течения. Модельные представления получили развитие в работах О.С. Найманова [25] и В.А. Дрознина [26] при сходных предположениях рассматривающих скольжение фаз.
Следующим шагом повышения адекватности моделей является учет изменения энтальпии потока, осуществляемый введением в модель уравнения энергии. Впервые это было сделано, по125
Проблемы современного естествознания
видимому, в работе Т. Голда [27]. Кроме того, в указанной работе, учитывая невозможность подбора
эмпирических формул для широкого диапазона условий в скважинах, было предложено ввести дифференциацию по режимам течения и для каждого режима использовать свой набор эмпирических
формул. Упомянутая работа Т. Голда содержит идейную основу всех современных моделей. Появившиеся позже модели отличаются количеством рассматриваемых режимов, критериями их смены,
эмпирическими формулами для касательных напряжений и т. д. К идейной новизне в работе М. Тачимори [28] можно отнести утверждение о необходимости учета ускорения в уравнениях движения
и энергии, а в работах А. Палачио [29, 30] отмечается необходимость учета теплообмена с окружающими породами. В работе [7] воплощается идея минимизации количества эмпирических формул.
В работах [31, 32] сделана попытка строгой формулировки математической модели, при этом оставлены без внимания некоторые принципиальные вопросы, в результате чего получена незамкнутая
модель. Последние же работы вообще делают акцент на специфику химического состава теплоносителя и модификацию в этой связи уравнений состояния [33 – 36].
По поводу специфики уравнений состояния геотермального теплоносителя следует отметить, что
эта проблема не столь значима, как может показаться на первый взгляд. В работе [16] использовались
те же гидродинамические соотношения, что и в работе [26], но уравнения состояния заменялись достаточно грубыми положениями (например плотность воды принималась постоянной). Тем не менее,
отличия результатов расчетов по рекомендациям указанных работ не превысили 10 %, что лежит
в пределах расхождений с опытными данными и вариаций результатов, вызванных погрешностями
измерения исходных для расчета данных [7].
Отсутствие новых идей по части динамики пароводяного потока в скважинах отнюдь не означает
отсутствие проблем в этом вопросе. Скорее, это характеризует сложность нерешенных проблем.
Справедливости ради следует отметить, что существующий набор идей позволяет разработать модель, которая удачно будет описывать заданный набор экспериментальных данных. Однако применимость такой модели для условий, отличающихся от условий экспериментальных данных, использованных при ее разработке, будет сомнительной. Достоверность подобных моделей определяется
диапазоном условий и качеством экспериментальных данных. И здесь еще раз отметим отсутствие
детальных экспериментальных исследований в действующих скважинах. При скудности экспериментальных исследований вообще измеряются лишь некоторые общие параметры, например средний
градиент давления на пароводяном участке [7] или график зависимости давления от глубины [28].
Это затрудняет оценку качества модели по сопоставлению с опытными данными. Возможность наличия четного количества взаимно компенсирующихся ошибок, например в оценке составляющих градиента давления на трение и гравитацию, даже при совпадении расчетных и опытных общих градиентов давления оставит сомнения в адекватности модели. Отметим также отсутствие экспериментальных данных
по высокопроизводительным скважинам, представляющим наибольший практический интерес. Регистрируемая аппаратура, помещаемая в скважину, испытывает значительное динамическое воздействие пароводяной смеси. Применение отягощений для предотвращения выброса аппаратуры из скважины создает дополнительное возмущение в потоке и не всегда приводит к желаемому результату.
Основным направлением совершенствования моделей пароводяного потока в скважинах следует
считать замену эмпирических формул и соотношений теоретическими положениями. В этом случае
об адекватности модели можно судить по адекватности теоретических положений. И в этой связи
большие надежды возлагаются на структурный подход, дающий широкое поле деятельности для использования теоретических положений применительно к динамике отдельных элементов заданных
структур потока и, кроме того, позволяющий сочетать достоинства интегрального и дифференциального методов описания течений [37].
Рекомендации по моделированию течения в пароводяных скважинах
Возможность наличия большого числа режимов течения с присущими им особенностями и наиболее подходящим методом описания требует введения в модель дифференциации по режимам течения (рис. 1). При этом введение большого количества режимов течения усложняет реализацию модели, а также вносит дополнительную неопределенность при проверке ее адекватности на основании
сравнения с опытными данными (увеличивается вероятность наличия четного числа ошибок).
Первые отечественные работы предполагали снарядное течение в скважинах доминирующим,
ссылаясь на наличие пульсаций давления на устье [26, 38]. Однако визуальные наблюдения за свободно фонтанирующей струей убеждают в обратном – отсутствуют характерные для жидких пробок
выбросы воды, т. е. пульсации давления не есть результат наличия жидких пробок (даже в эмульсионном течении), а следствие возмущений, передаваемых вниз по потоку.
Оценочные расчеты показывают, что расходное объемное паросодержание начинает превышать значение 0,9 на первых метрах от уровня начала парообразования. Этот факт, а также специальные исследования
126
Вестник Камчатского государственного технического университета
[18] указывают на небольшую протяженность участков пузырькового и снарядного режимов. Учитывая
данное обстоятельство, целесообразно не разделять режимы течения на пузырьковый и снарядный, а рассматривать их в рамках единого режима – с малым паросодержанием. При этом возможные погрешности,
вызванные данным упрощением, ввиду малости участка моделирования для общей модели будут несущественны.
В отношении эмульсионного режима следует отметить его важность прежде всего как переходного режима к дисперсно-кольцевому. Есть основания полагать, что эмульсионное течение является
доминирующим по длине пароводяного участка при работе скважины с максимальным рабочим устьевым давлением. По поводу дисперсно-кольцевого течения отметим, что оно доминирует при работе
скважин с устьевым давлением, обеспечивающим расход, близкий к максимальному.
Таким образом, общая модель течения в пароводяной скважине должна учитывать возможность
наличия участков с пароводяным и чисто водяным флюидом. На пароводяном участке необходимо
предусмотреть возможность течения с малым паросодержанием (пузырьковый и снарядный режимы),
эмульсионного и дисперсно-кольцевого режимов.
Как уже отмечалось, моделирование следует производить
для квазистационарных условий, т. е. рассматривать стационарную гидродинамическую задачу, предусматривая изменение
параметров потока по стволу скважины вследствие теплообмена с окружающими горными породами, которое со временем
может изменяться. Оценки, показывающие важность учета теп7
лообмена с окружающими породами, представлены в работах
[29, 30]. Отметим, что особую важность данное явление имеет
место при решении задачи определения забойных параметров, т.
6
к. в этом случае имеет место небольшая продолжительность работы скважины, окружающие ствол горные породы еще не прогреты
5
и влияние теплообмена существенно. Учет теплообмена с окружающими породами в конечном счете сводится к определению
4
плотности теплового потока на стенках скважины. Общие подхо2
ды
к решению данной задачи хорошо известны [39–41]. Однако в
3
1
частных случаях возможны вариации, связанные с особенностями
технологии крепежа обсадных труб [42], а также с геологическими (особенно обводненностью) и теплофизическими характеристиками горных пород [43]. Поэтому на основании общих подходов, сформулированных в указанных литературных источниках,
Рис. 1. Течение в пароводяной
рекомендуется индивидуальное решение данной задачи.
скважине:
1 – подземный коллектор; 2 – обсадная
По поводу уравнений состояния уже отмечалось, что
колонна; 3 – водяное течение;
в нашем случае представляется достаточным использовать
4 – пузырьковый режим; 5 – снарядный
уравнения состояния для воды и водяного пара на линии насырежим; 6 – эмульсионный режим; 7 –
щения [21, 22]. Заметим, что необходимость вычисления продисперсно-кольцевой режим
изводных термодинамических параметров требует использования уравнений, дающих плавные функции изменения параметров. В противном случае придется согласовывать шаг дифференциала давления с особенностью уравнений.
Решая практические задачи, необходимо понимание возможностей расчетных методов в части
погрешности определяемых параметров. Расчет только водяного течения не представляет принципиальных сложностей, градиент давления в этом случае главным образом определяется гравитационной
составляющей и может быть определен с высокой точностью. Основным источником погрешностей
является модель пароводяного потока. В качестве характеристики качества модели удобно использовать среднюю погрешность градиента давления на пароводяном участке скважины. Средний градиент давления на пароводяном участке определяется по правилу усреднения:
H
<
dp
1
dp
>=
(
)dz ,
dz
H 0 dz
∫
(3)
где Н – длина пароводяного участка в скважине;
z – координата, направленная вдоль скважины.
Для течения, изображенного на рис. 1, согласно формуле (3) модуль среднего градиента давления будет определяться как отношение перепада давления на уровне начала парообразования и на
устье к глубине уровня начала парообразования. Знак градиента определяется выбором направления z.
127
Проблемы современного естествознания
Заметим, что при одинаковой модели течения на пароводяном участке точность расчетного определения перепада давления от забоя до устья также зависит от выбора направления z, которое определяется задачей: рассчитываем ли мы забойные параметры или же находим параметры на устье.
Рассмотрим конкретный пример. Пусть глубина скважины составляет 200 м, длины пароводяного и водяного участков составляют 100 м. Давление на устье 2 бара, на забое – 12 бар. Перепад давления от забоя до устья составляет 10 бар, из которых 1 бар – перепад на пароводяном участке, 9 бар
– на водяном участке. Тогда фактически средний градиент давления на пароводяном участке составит
1 кПа/м, а на водяном – 9 кПа/м. Для упрощения рассмотрения градиент давления на пароводяном
участке будем считать постоянным (рис. 2).
0
2
4
6
8
10
0
12 P, бар
1
50
2
3
100
150
200
L, м
Рис. 2. Профиль давления по глубине скважины:
1 – фактический; 2 – расчет сверху вниз; 3 – расчет снизу вверх
Пусть модель течения на пароводяном участке занижает значения среднего градиента давления
на 20 %. Тогда, решая задачу определения забойных параметров и двигаясь вниз, с учетом возможности относительно точного определения давления на уровне начала парообразования (по энтальпии
смеси), мы фактически получим расчетный уровень начала парообразования на 20 м ниже фактического (рис. 2). Рассчитывая далее течение на водяном участке практически без погрешностей, мы получим для забойного давления величину около 10 бар, т. е. погрешность расчета перепада давления
от забоя до устья составит примерно 20 %. Если же мы будем двигаться снизу вверх, для устьевого
давления получим расчетное значение – 2,2 бара, т. е. погрешность расчета перепада давления от забоя до устья составит всего 2 %.
Таким образом, точность моделей, используемых для определения параметров на забое по измерениям на устье, должна быть максимальной. К этому следует также добавить максимальную точность измерения устьевых параметров. В частности, как показано в работе [7], погрешности в определении энтальпии смеси способны вызвать вариации результатов расчета, превосходящие
погрешности самой модели. Практически максимально высокие требования к модели и устьевым измерениям следует предъявлять при определении фильтрационных параметров резервуара по результатам выпусков из скважин [44, 45].
В отношении задачи расчета устьевых параметров по забойным следует отметить возможность
предъявления не столь высоких требований к модели. Заметим, что практически данный тип задачи
встречается в комплексе с моделированием геотермального резервуара, характеризующегося большими погрешностями, что также снижает требования к модели скважины.
Литература
1. Боревский Б.В., Самсонов Б.Г., Язвин Л.С. Методика определения параметров водоносных горизонтов по данным откачек. – М.: Недра, 1979. – 326 с.
2. Шестопалов В.М. Методы изучения естественных ресурсов подземных вод. – М.: Недра. – 168 с.
3. Климентов П.П., Кононов В.М. Динамика подземных вод. – М.: Высшая школа, 1973. – 440 с.
128
Вестник Камчатского государственного технического университета
4. Основы гидрогеологических расчетов / Бочевер Ф.М., Гармонов И.В., Лебедев А.В., Шестаков В.М.. –
М.: Недра, 1969. – 368 с.
5. Дрознин В.А. Физическая модель вулканического процесса. – М.: Наука, 1980. – 92 с.
6. Слезин Ю.Б. Механизм вулканических извержений (стационарная модель). – М.: Научный
мир, 1998. – 127 с.
7. Шулюпин А.Н. Течение в геотермальной скважине: модель и эксперимент // Вулканология и
сейсмология. – 1991. – № 4. – С. 25–31.
8. Djajic N., Parajanin L.J., Malic D. Some aspects of heat and mass transfer in geothermal wells //
Proceedings, Future Energy Prod. Syst. Heat and Mass Transfer, 1976. –V. 2. – P. 477–485.
9. Белодед В.Д. Расчет параметров пара на забое геотермальных скважин // Вулканология и
сейсмология. – 1987. – № 10. – С. 97–103.
10. Грикевич Э.А. Гидравлика водозаборных скважин. – М.: Недра, 1986. – 231 с.
11. Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент: Справочник / Под ред.
В.А. Григорьева и В.М. Зорина. – М.: Энергоатомиздат, 1988. – 560 с.
12. Хьюитт Дж., Холл-Тейлор Н. Кольцевые двухфазные течения. – М.: Энергия, 1974. – 408 с.
13. Методические указания по изучению термальных вод в скважинах / Фролов Н.М., Аверьев В.В., Духин И.Е., Любимова Е.А.. – М.: Недра, 1964. – 140 с.
14. Паужетские горячие воды на Камчатке / Под ред. В.И. Пийпа. – М.: Наука, 1965. – 208 с.
15. James R. Factors controlling borehole performance// Geothermics, 1970. – V. 2. – P. 1502–1515.
16. Шулюпин А.Н. Аналитический метод определения глубины уровня начала парообразования
в геотермальных скважинах // Вулканологические исследования на Камчатке. – ПетропавловскКамчатский, 1988. – С. 125–128.
17. Теплоотдача в двухфазном потоке / Под ред. Л. Ботерворса и Г. Хьюитта. – М.: Энергия, 1980. – 328 с.
18. Tolivia E. Flow in geothermal wells (An analitical study) // Geothermics, 1972. – V. 1, N. 4. –
P. 141–145.
19. Бойко В.Ф., Мамаев Ю.А., Улыбышева Н.М. Обоснование инженерного метода расчета эрлифтного гидроминералозабора // Магадан. Колыма. – 1997. – № 3. – С. 46–48.
20. Справочное пособие по газлифтному способу эксплуатации скважин / Зайцев Ю.В., Максутов Р.А.,
Чубанов О.В. и др. – М.: Недра, 1984. – 360 с.
21. Александров А.А. Система уравнений IFPWS-IF-97 для вычисления термодинамических
свойств воды и водяного пара в промышленных расчетах. Ч. 1. Основные уравнения // Теплоэнергетика. – 1998. – № 9. – С. 69–77.
22. Ривкин С.Л., Александров А.А. Теплофизические свойства воды и водяного пара. – М.: Энергия, 1980. – 424 с.
23. Elder J.W. Heat and mass transfer in the Earth: Hydrothermal systems. – New Zealand, 1966. – 115 p.
24. Nathenson M. Flashing flow in hot-water geothermal wells// Journal of Research US Geol. Surv. –
1974. – V.2, N. 6. – P. 743–751.
25. Найманов О.С. Исследование гидравлики двухфазного потока на примере парогенерирующих
скважин Камчатки // Труды ЦКТИ. – 1970. – Вып. 101. – С. 241–249.
26. Дрознин В.А. Теплогидродинамический режим работы пароводяных скважин геотермальных
месторождений Камчатки: Автореф. дис. … канд. техн. наук: 01.04.14 / Ленингр. политех. ин-т. – Л.,
1982. – 19 с.
27. Gould T.L. Vertical two-phase steam-water flow in geothermal wells // Journal of Petroleum Technology. – 1974. – N. 8. – P. 833–842.
28. Tachimori M. A numerical simulation model for vertical flow in geothermal wells // Proceedings,
Stanford Workshop. – 1982. – N. 8. – P. 155–160.
29. Palachio A. A computer code for determining the flow characteristics in a geothermal well // Proceedings, Int. Conf. on Num. Methods of Thermal Problem. – Swansen, 1985. – Part 2. – P. 922–933.
30. Palachio A. Effect of heat transfer on the performance of geothermal wells // Geothermics. – 1989. –
V. 19, N. 4. – P. 311–328.
31. Забарный Г.Н., Кудряшов В.А., Гайдаров Г.М. Математическая модель двухфазного течения
теплоносителя в стволе геотермальной скважины. – Петропавловск-Камчатский, 1992. – 64 с.
32. Забарный Г.Н., Кудряшов В.А., Гайдаров Г.М. Механизм работы пароводяной скважины и методы его моделирования. – Петропавловск-Камчатский, 1990. – 49 с.
33. Antics E. Modeling two phase flow in low temperature geothermal wells // Proceedings of the World
Geothermal Congress. – Florence, 1995. – V. 3. – P. 1905–1910.
34. Barelli et al. Prediction of geothermal well pressure and temperature profiles // Geothermics. – 1994.
– V. 23, N. 4. – P. 339–353.
129
Проблемы современного естествознания
35. Upton P.S. The Wellbore simulator SIMU-2000 // Proceedings World Geothermal Congress 2000. –
Kyushu-Tohoku, 2000. – P. 2851–2856.
36. Upton S.P. The wellbore simulator SIMU-93 // Proceedings of the World Geothermal congress. –
Florence, 1995. – V. 3. – P. 1741–1744.
37. Шулюпин А.Н. Эффект локальной критичности в динамике пароводяного геотермального теплоносителя. – Петропавловск-Камчатский: КамчатГТУ, 2001. – 102 с.
38. Захарова Э.А. Вопросы гидродинамики двухфазного потока в скважинах // Научнотехнические проблемы геотермальной энергетики: Сб. науч. тр. ЭНИН. – М., 1987. – С. 63–71.
39. Исаченко В.П., Осипова А.В., Сукомел А.С. Теплопередача. – М.: Энергоиздат, 1981. – 416 с.
40. Кулиев С.М., Есьман Б.И., Габузов Г.Г. Температурный режим бурящихся скважин. – М.: Недра, 1968. – 186 с.
41. Чекалюк Э.Б. Термодинамика нефтяного пласта. – М.: Недра, 1965. – 238 с.
42. Созинова Т.Е. Разработка метода расчета и исследование теплового и термонапряженного состояния крепи геотермальных скважин: Автореф. дис. … канд. техн. наук: 05.14.04 / Ивановский энерг.
ин-т. – Иваново, 1997. – 24 с.
43. Физические свойства минералов и горных пород при высоких термодинамических параметрах: Справочник / Баюк Е.И., Томашевская И.С., Добрынин В.М. и др.; Под ред. М.П. Воларовича. –
М.: Недра, 1988. – 255 с.
44. Забарный Г.Н., Шулюпин А.Н., Гайдаров Г.М. Определение фильтрационных параметров
термоводоносных коллекторов по данным испытания пароводяных скважин. – ПетропавловскКамчатский, 1989. – 59 с.
45. Шестопалов И.В. Особенности оценки коэффициента водопроводимости по результатам испытания пароводяных скважин // Вулканизм и связанные с ним процессы. Вып. 3. – ПетропавловскКамчатский, 1985. – С. 106–108.
УДК 550.344
НЕКОТОРЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ЧЕТЫРЕХЛЕТНЕГО МОНИТОРИНГА ВАРИАЦИЙ
ОБЪЕМНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ ВБЛИЗИ ЗОНЫ СУБДУКЦИИ В РАЙОНЕ
АВАЧИНСКОГО ЗАЛИВА КАМЧАТКИ
И.И. Степанов, В.И. Степанов (КамчатГТУ)
В течение четырех лет вблизи г. Петропавловска-Камчатского с помощью геохимического
деформометра изучались вариации объемных деформаций горных пород. Установлено, что амплитуды деформаций изменяются с различными скоростями и в широком диапазоне – до двух порядков величины. Выявлены различные периоды изменения деформаций – от 1 часа до 2-х лет,
отражающие различные геодинамические процессы. Обнаружены ранее неизвестные медленные
деформационные волны со скоростью распространения около 5 см/с. По-видимому, мониторинг
объемных деформаций позволяет осуществлять краткосрочный прогноз сильных землетрясений
за 1,5–24 часа до события.
The variations of rock's volumetric deformations were investigated by means of geochemical deformometer near Petropavlovsk-Kamchatsky during more then 4 years. It was established that the amplitudes of deformations are altered with difference velocities two orders of value. It was established, the
periods of the deformation's variations are altered from 1 hour to 2 years. These periods reflect the different processes. The slow deformation's waves unknown up to date were detected, its velocity is about 5
cm/sec only. It is supposed that the geochemical monitoring of volumetric deformations will permit to do
the short-dated prediction of the earthquakes before 1,5– 24 hours.
В исследовании проблем геодинамики важное место занимает изучение деформаций горных пород. К сожалению, о деформационных полях, развивающихся на полуострове Камчатка, пока известно очень мало, хотя эта территория, примыкающая к активной зоне субдукции, служит ареной ярких
деформационных событий, сопровождающихся, в частности, многочисленными землетрясениями.
В Институте вулканологии ДВО РАН много лет ведутся наблюдения по некоторым опорным
трассам методами классической геодезии и с помощью современных лазерных светодальномеров.
В последние годы интенсивно развиваются геодезические измерения методами GPS. Однако эти исследования, при всей несомненной их важности, касаются лишь одной стороны проблемы – оценки
величины деформаций регионального масштаба, причем в области очень низких частот. По различ130
Вестник Камчатского государственного технического университета
ным (техническим и экономическим) причинам невозможно проводить измерения этими методами
через короткие интервалы времени или непрерывно на большинстве точек построенной геодинамической сети. Накопленные данные показывают, что нет заметных связей между сейсмическими проявлениями и деформациями на протяженных базах в области низких частот (за исключением землетрясения в Авачинском заливе 2 марта 1992 г. с М = 7,1 и Кроноцкого землетрясения 5 декабря 1997
г. с М = 7,8 [1]). Возможно, что в этом районе вообще трудно ожидать больших деформаций на многокилометровых базах вследствие особенностей расположения зоны контакта между океанической и
материковой плитами. Как известно, эта зона ориентирована вдоль береговой линии и находится на
значительном удалении от нее в океане. Установить реперы на океанической плите невозможно. Все
реперы расположены только на материковой плите. По-видимому, поэтому расстояния между ними и
разности высот в большинстве случаев не могут значительно изменяться за счет коллизии плит в области зоны субдукции. Деформации материковой плиты вблизи ее края должны иметь место, но они
быстро уменьшаются по мере удаления от зоны субдукции. Поэтому чем больше дистанция между
реперами, тем меньше должны быть вариации ее длины. А по субмеридиональным линиям, ориентированным вдоль береговой линии, вообще трудно ожидать каких-либо изменений. Во всяком случае, накопленные эмпирические данные свидетельствуют о слабой связи деформаций на больших базах с происходящими сейсмическими событиями и, следовательно, с изменением геодинамической ситуации.
Совершенно иначе ведут себя объемные деформации. Длительные наблюдения за их поведением
показали, что они служат источником важной информации об изменениях некоторых параметров
геодинамической ситуации в близлежащем районе, в частности предшествующих заметным сейсмическим событиям и следующих за ними.
Средства для измерения объемных деформаций известны, для этого используются, например,
скважинные деформометры [2], действие которых основано на измерении гидростатического давления в замкнутой камере, воспринимающей давление окружающих пород. Однако такие деформометры на территории Камчатки практически не использовались. На Толстом мысу близ г. Петропавловска-Камчатского с помощью японских ученых в середине 80-х гг. был установлен один скважинный
деформометр, но, к сожалению, он проработал только два года и был уничтожен вандалами. Использование скважинных деформометров на Камчатке в настоящее время и в обозримом будущем едва ли
возможно по финансовым причинам вследствие их очень высокой стоимости.
Авторами этой статьи в 80–90-х гг. был разработан новый геохимический способ исследования
объемных деформаций в поверхностных горных породах, основанный на измерении в замкнутой полости над поверхностью горной породы содержаний так называемых «квазигазообразных» элементов, способных проникать в кристаллические решетки минералов [3].
С помощью лабораторного варианта такого деформометра в точке, находящейся в г. Петропавловске-Камчатском (Институт вулканологии ДВО РАН), в течение более четырех лет (начиная со 2 мая
1998 г.) ведется мониторинг объемных деформаций пород. Измерения проводятся в области частот 5,5 ×
10-4 – 3 × 10-7 гц. Предел обнаружения использованного анализатора ограничивает максимальную частоту указанной величиной вследствие необходимости интегрирования сигнала в течение 30 мин.
Измерения (до 48 раз в сутки) проводятся в автоматическом режиме, их результаты фиксируются в виде
импульсов на ленте самописца. Всего за четыре года мониторинга проведено около 50 000 измерений. Хотя
пропуски, в основном из-за отказов измерительной техники, составили около 25 % всего времени мониторинга, это не оказало существенного негативного влияния на выводы, сделанные из полученных результатов.
Кратко опишем полученные данные и отметим их явные особенности. На рис. 1 приведен график
изменения усредненных значений объемных деформаций с мая 1998 г. по сентябрь 2002 г. Для оценки характера вариаций удобным оказалось построение графиков по усредненным за каждые сутки
наблюдениям (от 0 ч до 23 ч 30 мин, т. е. максимум по 48 измерениям). Одновременно со среднесуточными значениями для них рассчитывались и среднеквадратичные отклонения. Для того чтобы на
величину среднесуточных значений не влияли спорадические импульсные сигналы, они исключались
из данной суточной выборки, если их амплитуда превышала среднее значение в два раза.
График показывает, что деформации поверхностных пород очень динамичны и их амплитуды в
широком диапазоне сложным образом изменяются во времени. Обычно они имеют вид наложенных
друг на друга квазигармоничных сигналов, изменяющихся в широкой области частот с периодами, по
крайней мере, от 1 часа до 1–2 лет. Возможно, что имеют место процессы с периодами и меньше
1 часа, но используемый режим регистрации (с периодичностью 0,5 часа) не позволяет их выделить.
Самая яркая особенность приведенной функции изменения объемных деформаций во времени –
очень контрастный цикл с периодом примерно два года, за которым последовал почти двухлетний
минимум деформаций, совпавший с периодом сейсмического затишья.
131
Проблемы современного естествознания
Амплитуды деформаций изменяются в значительном интервале (от 5 до 140 условных единиц), причем их можно разделить на две группы. К первой относятся вариации фона (низкочастотные сигналы,
усредненные за каждые сутки наблюдений, изменяющиеся от 5 до 45 усл. ед., т. е. практически на порядок), а ко второй – импульсные (с длительностью 0,5–1 час) с амплитудой до 140 усл. ед. (наибольшее
зафиксированное значение). Анализ показывает, что они несут информацию о разных процессах.
Величины среднеквадратичных отклонений свидетельствуют о том, что вариации фона весьма
малы (относительное стандартное отклонение близко к 0,2), следовательно, величина фона устойчива, и ее изменения, как правило, нельзя считать случайными, они статистически значимы. Собственные погрешности измерений тем более невелики, поскольку в вычисленные значения среднеквадратичных отклонений входят не только ошибки измерений, но и флуктуации сигнала, вызванные
небольшими изменениями деформаций с периодами изменений меньше суток.
Рис.1. Изменение объемных деформаций в течение 1998–2002 гг.
По оси ординат – величина деформаций в условных единицах, по оси абсцисс – годы мониторинга
Начало мониторинга совпало с началом подготовки сейсмического события с М = 6,3, происшедшего 1 июня 1998 г. в районе мыса Шипунского. В течение мая наблюдался медленный волнообразный рост фона, увеличившегося к моменту землетрясения более чем вдвое. Он так значителен по
сравнению со среднеквадратичными отклонениями, что случайные совпадения исключаются. Значение
фона, достигшего максимальной величины 1 июня (Nф = 23,36 ед.), превысило среднее многомесячное
значение (Nф.ср. ≈ 10 ед.) на 13,36 ед. С учетом величины многомесячного значения среднеквадратичного
отклонения (s = 1,36 ед.) превышение фона 1 июня составило +9,82 s. Это означает, что надежность этой
величины практически равна единице. Землетрясение произошло в 17 ч 30 мин местного времени 1 июня
– в день, когда средний уровень деформаций достиг максимального уровня.
Со 2 июня величина фона стала уменьшаться. На графике хорошо видно, что фон и возрастал, и
уменьшался не монотонно, а волнообразно с периодом, близким к 4–5 суткам. Процесс релаксации
(как и роста) происходил примерно по одинаковому закону с близкими периодами колебаний. Затраты времени на рост деформаций и на релаксацию после землетрясения 1 июня оказались примерно
одинаковыми и заняли в общей сложности почти два месяца.
27 июня было зафиксировано мощное деформационное возмущение в виде трех импульсов
(с амплитудами 92, 140 и 42,5 усл. ед.), вызвавшее скачкообразное увеличение среднесуточной величины деформаций почти до такого же уровня, которое было 1 июня. Однако никаких заметных сейсмических событий на Камчатке в течение нескольких дней ни до, ни после этого события не произошло. Установлено, что в этот же день имели место значительной величины аномалии теллурических токов,
выразившиеся в 1,5-часовом сдвиге суточного цикла и в импульсных аномалиях большой амплитуды.
На релаксацию фона после этого возмущения потребовалось две недели. Такого типа импульсные аномалии с различными амплитудами за время наблюдений регистрировались многократно (39 раз), и каждый раз они следовали за максимумами деформационных аномалий.
С 8 ноября 1998 г. деформации начали вести себя очень динамично. Из графика (рис. 1) хорошо
видно, что с этого момента до середины февраля 2000 г. объемные деформации испытывали ряд контрастных изменений, выразившихся в серии аномалий, проявляя общую тенденцию к росту. Несмотря на значительные пропуски, имевшие место в этот период по техническим причинам и, естественно, затрудняющих оценку ситуации, в целом огибающая однозначно выделяет очень контрастную
аномалию длительностью больше одного года. Затем до конца 2000 г. деформации постепенно
уменьшались с почти регулярными (примерно через каждые три месяца) контрастными всплесками
деформаций длительностью около месяца каждый.
132
Вестник Камчатского государственного технического университета
Данные о землетрясениях, произошедших в пределах круга с радиусом < 200 км1
со 2-го мая 1998 г. по 10-е сентября 2000 г.2
Дата
Час
Мин
С
Широта
Долгота
1
27.05.98
28.05.98
28.05.98
01.06.98
11.01.99
06.02.99
08.03.99
08.03.99
08.03.99
24.10.99
13.11.99
30.12.99
03.06.00
08.06.00
27.08.00
17.09.01
07.10.01
08.10.01
08.10.01
08.10.01
09.10.01
10.10.01
10.10.01
23.10.01
25.11.01
11.12.01
15.12.01
15.02.02
2
20
4
13
5
10
13
5
5
12
12
21
0
3
13
1
11
22
6
18
18
2
1
11
11
10
22
1
15
3
41
58
18
34
48
36
39
57
25
24
24
11
54
53
45
13
46
18
14
20
49
32
28
34
36
59
59
21
4
33,2
51,5
59,3
4,7
52,9
14,6
58,7
47,6
46,1
5
52,10
52,14
52,16
52,88
52,14
53,40
51,93
51,99
51,93
52,14
52,49
52,08
51,85
52,11
52,68
52,81
52,38
52,52
52,65
52,64
52,52
52,53
52,39
52,90
52,07
53,71
52,63
52,13
6
159,80
159,97
159,96
160,22
159,69
160,46
159,77
159,74
159,72
159,72
160,16
159,17
159,13
159,82
159,1
159,97
160,70
160,49
160,42
160,45
160,52
160,66
161,08
159,90
159,29
160,98
159,03
159,88
45,7
51,7
29
Глубина
(км)
7
11
5
10
35
24
40
32
0
7
31
17
40
51
16
87
37
12
5
26
17
11
6
18
38
22
23
91
20
Ks
Магнитуда Мс
Эпицентр.
расст. (км)
8
13,4
13,1
12,7
13,7
12,9
12,3
13,1
13,2
14,3
12,4
12,3
12,1
13,1
12,2
12,2
12,8
12,5
12,6
13,9
13,5
12,0
12,8
12,8
12,2
12,1
12,0
12,2
12,3
9
6,0
5,7
4,9
6,3
5,5
4,7
5,6
5,8
7,0
4,8
4,7
4,5
5,6
4,6
4,6
5,3
4,9
5,1
6,6
6,1
4,4
5,3
5,3
4,6
4,5
4,4
4,6
4,7
10
125
132
133
107
105
122
127
137
120
127
122
116
120
125
54
95
159
140
130
132
142
150
182
88
120
173
56
135
Таблица 1
Сила в г.
Петр.-Камч.
(в баллах)
11
5
3
3
Примечания:
1. Центр круга – точка наблюдения в Институте вулканологии ДВО РАН, координаты: 53,07° с. ш.; 158,61° в. д. Расчет расстояния проводился в соответствии с уравнением: R2 = {(53°07' – X)o×111}2 + {(158°61' – Y)o×67}2, где X и Y – широта и долгота соответственно. Энергетический класс – показатель степени при основании 10 энергии в джоулях. Зависимость
между энергетическим классом Ks и магнитудой Mс определяется выражением: Ks = 0,85 Mс + 8,3.
2. В таблице учтены события класса ≥ 12.
С середины февраля 2001 г. до середины августа 2002 г. деформации испытывали слабые изменения,
достигнув абсолютного минимума за весь период наблюдений. С середины августа 2002 г. наблюдается
резкое усиление объемных деформаций. За время мониторинга в области с радиусом примерно 200 км от
точки наблюдения произошел ряд сейсмических событий класса ≥12, перечисленных в табл. 1.
Переход от деформаций, измеряемых на больших базах, к объемным деформациям в точке позволяет получать недоступную ранее информацию. Поскольку объемные деформации измеряются
в локальных точках, понятие ориентации относительно зоны субдукции для них отсутствует и измеряемые сигналы тем выше, чем меньше расстояние от источника возмущений до точки измерения.
Вследствие этого точки наблюдения выгоднее размещать вдоль береговой линии, как можно ближе
к зоне субдукции. Очевидно, что желательны систематические непрерывные наблюдения за локальными деформационными процессами в возможно более широкой области частот.
Данные, полученные в процессе более чем четырехлетнего мониторинга, показывают, что наблюдения за изменением деформационных полей в локальных точках представляют исключительно
большой интерес. Отслеживание этого параметра служит серьезным дополнением к другим методам,
использующимся при оценке геодинамической ситуации.
На первой стадии мониторинга изучалась возможная зависимость величины объемных деформаций от гидрометеорологической обстановки (температуры и атмосферного давления) и лунносолнечных приливов. Такой зависимости обнаружено не было. Поскольку взаимосвязь между ними,
несомненно, существует, отсутствие значимой корреляции между деформациями и указанными параметрами говорит о том, что реальный предел обнаружения данного метода выше порога регистрации отклика на эти сигналы. Однако, судя по данным мониторинга, в снижении предела обнаружения
133
Проблемы современного естествознания
геохимического деформометра нет необходимости. Накопленная информация свидетельствует о том,
что параметры установки близки к оптимальным. Снижение предела обнаружения в рамках решения
задачи исследования динамики деформационных полей в сейсмически активных районах приведет
лишь к увеличению уровня шумов и усложнит выделение полезных сигналов. По-видимому, реальный предел обнаружения данного деформометра близок к 10-6 относительной деформации.
За время наблюдений в Авачинском заливе произошло только два заметных сейсмических события. Первое – у мыса Шипунского 1 июня 1998 г. (М = 6,3, эпицентральное расстояние 110 км),
в г. Петропавловске-Камчатском оно отразилось землетрясением силой 5 баллов по 12-балльной
шкале. И второе – в центре залива 8 марта 1999 г. (М ≈ 7, эпицентральное расстояние ≈120 км), проявившееся в г. Петропавловске-Камчатском удивительно слабыми (в сравнении с очень большой расчетной магнитудой) толчками – примерно 3 балла.
За исключением этих двух заметных по магнитуде событий, сейсмическая обстановка в данном
районе в период мониторинга оставалась в целом спокойной. Однако, судя по поведению объемных
деформаций, геодинамическая ситуация в районе часто испытывала драматические изменения. Они
не могли быть замечены сейсмической службой потому, что соответствующие им упругие колебания
горных пород характеризуются частотами на несколько порядков меньше нижней границы частотного диапазона (10-2 Гц), доступной сейсмометрам.
Приведенный график показывает, что в период подготовки землетрясения 1 июня 1998 г. объемные
деформации в течение месяца перед землетрясением росли, но не монотонно, а волнообразно с периодом примерно 4–5 суток. Землетрясение произошло в максимуме деформационной аномалии
(Am(ср) = 23,36 усл. ед.). Важная деталь: за 23 и 1,5 часа перед землетрясением прошли два импульсных
сигнала с амплитудами 38 и 41 усл. ед. соответственно.
Релаксация фона после землетрясения происходила с немного большей скоростью с волнами
примерно той же длительности. Вообще деформации редко остаются стабильными, они обычно испытывают флуктуации небольшой амплитуды с разными частотами. Частотный анализ показывает,
что выделяются частоты с периодами 60 суток, 4 суток, 7,3 часа, 3,33 часа и 2,2 часа.
Наблюдавшаяся в ноябре 1998 г. аномалия, по-видимому, была спровоцирована сильной солнечной вспышкой, происшедшей 5 ноября 1998 г. Возможно, она не только вызвала геодинамическое
возмущение, отразившееся в зарегистрированной деформационной аномалии, но и спровоцировала
землетрясения: в Токийском заливе (8 ноября, М = 4,9) и на юге Индонезии (одно – 8 и два –
9 ноября, М = 6,0; 6,1 и 6,4 соответственно). Начиная с ноября 1998 г. вплоть до середины февраля
2000 г. одна за другой следовали деформационные аномалии с очень высокими амплитудами Am(ср),
превышающими минимальный фон от 4 до 10 раз. Некоторые из деформационных аномалий совпадали со стабилизацией фазы сейсмических шумов и с увеличением содержаний радона.
Отмечается зависимость ощущаемой в некоторой точке силы землетрясения с данными эпицентральным расстоянием и магнитудой от глубины очага. При прочих равных условиях, при очень малых и очень больших глубинах нахождения очага сила землетрясения уменьшается. По-видимому,
при глубинах нахождения очага 20–40 км радиус зоны с заданной силой ощущения землетрясения
максимален. При нахождении очага на глубинах 70 и более километров землетрясения на поверхности, даже в эпицентре, могут и не ощущаться. А при малых глубинах (0–10 км) сила землетрясения
быстро уменьшается с расстоянием. Примером этого служит землетрясение 9 марта 1999 г. в Авачинском заливе. Оно отличается очень высоким численным значением магнитуды (7,0) и малой глубиной
очага (7 км). В г. Петропавловске-Камчатском, расположенном от эпицентра всего в 100 км, его сила
была оценена лишь в 3–4 балла, тогда как шипунское землетрясение 1 июня 1998 г. при меньшей
магнитуде (6,3) и большем эпицентральном расстоянии (110 км), но с большей глубиной очага
(35 км) воспринималось как сильное и оценивалось примерно в 5 баллов. К тому же перед землетрясением 8 марта 1999 г. не было зарегистрировано ни стабилизации фазы сейсмических шумов, ни
роста содержаний радона. Заметим, что оно произошло в самом конце периода высоких значений
объемных деформаций, которые на следующий же день после него начали интенсивно уменьшаться.
На низком деформационном фоне (Am(ср) = 12,87 усл. ед.) 27-го июня была зарегистрирована серия из трех контрастных аномалий с амплитудами 92, 140 и 42,5 усл. ед. Она последовала через 26
суток после землетрясения 1-го июня. По мнению старшего научного сотрудника Института земной
коры СО РАН (г. Иркутск) В.В. Ружича [1], такие аномалии деформационных полей служат своеобразным эхом землетрясений. Он полагает, что в момент землетрясения одновременно с высокоскоростными ударными волнами его очаг генерирует деформационную волну, распространяющуюся со
скоростью <10 см/с «…либо за счет движения волн деформаций и напряжений, либо за счет замедленного отклика на возбуждение от упругих колебаний при вязком типе реакции отклика». В нашем
случае при расстоянии от эпицентра до точки наблюдения около 110 км и времени движения волны
134
Вестник Камчатского государственного технического университета
26 суток величина скорости распространения деформационной волны равна примерно 5,0 см/с. Это
хорошо соответствует гипотезе В.В. Ружича. Этому феномену, впервые обнаруженному в региональном масштабе, авторы дали название – медленные деформационные волны (МДВ).
Обратим внимание на периодически регистрируемые низкочастотные аномалии деформационного фона, не имеющие видимой связи с землетрясениями. Весьма вероятно, что они (по аналогии
с аномалией в мае – июне 1998 г.) отражают очередные коллизии некоторых плит с усилением напряжений в локальных областях, которые можно рассматривать как подготовку потенциальных землетрясений. Однако накопленная тектоническая энергия во многих случаях разряжается без катастрофы, т. е. без формирования ударных волн. Поскольку такие процессы сопровождаются движениями
в низкочастотном диапазоне, они не могут фиксироваться сейсмометрами. Мониторинг объемных
деформаций, в отличие от сейсмометрии, позволяет легко отслеживать такие события. Рост средних
деформаций сигнализирует о возникновении потенциально опасной ситуации и дает основания для
объявления периода «тревожного ожидания», означающего, что через некоторое время может произойти землетрясение. Если же в условиях сейсмического затишья деформации, достигнув максимума, начинают уменьшаться, то, по-видимому, это означает, что имел место крип и, следовательно,
период «тревожного ожидания» закончился.
Анализ данных, накопленных за четыре с лишним года мониторинга, позволяет сделать вывод,
что в отдельные периоды, как это имело место в 1998–2000 гг., потенциально опасные геодинамические ситуации на Камчатке возникают относительно часто – в среднем один раз в три месяца. Однако
землетрясениями они завершаются, к счастью, редко. С точки зрения сегодняшних представлений,
наиболее вероятным механизмом растянутого во времени сброса тектонической энергии служит крип
– плавное скольжение по некоторым плоскостям блоков пород, испытывающих коллизию или в зоне
субдукции, или в какой-либо разломной зоне. Если сила трения между некоторыми блоками, стремящимися переместиться друг относительно друга, не допускает их смещения, то в такой системе блоки
деформируются, напряжения усиливаются и тектоническая энергия растет. Когда величина напряжения
становится равной или превышает силы трения, эта ситуация разрешается либо резким смещением одного блока относительно другого с образованием ударных волн, т. е. землетрясением, либо плавным скольжением, при котором значительная часть тектонической энергии переходит в тепло и вместо ударных
волн, характерных для землетрясений, генерируются колебания с намного меньшими частотами и скоростями, возможно, те, о которых упоминалось выше под названием медленных деформационных волн.
Обнаружение многочисленных потенциально сейсмически опасных периодов, завершающихся незаметным (для сейсмических наблюдений) рассеянием тектонической энергии, существенно изменяет
подход к средне- и краткосрочному прогнозу землетрясений.
Известен целый ряд параметров, считающихся причинно связанных с процессами подготовки сейсмических событий. Например, геофизические: изменения магнитных, электромагнитных, деформационных и других полей в земной коре, атмосфере и ионосфере, стабилизация фаз сейсмических и радиошумов и т. д.; гидрохимические и гидрогеохимические: изменение уровня воды в скважинах, температуры и
состава вод и т. д.; геодезические: изменение расстояний и относительных высот между реперными точками, вариации наклона земной поверхности и др.; геохимические: изменение содержаний радона и других компонентов в подпочвенном воздухе и водах. Этот ряд можно продолжить.
По-видимому, все они могут быть сведены, в конечном счете, к процессам деформаций отдельных блоков земной коры. Следовательно, все названные (и неназванные тоже) параметры с большим
или меньшим успехом, на больших или меньших расстояниях от потенциальных гипоцентров, с той
или иной чувствительностью реагируют на изменение геодинамической ситуации, сопровождающейся ростом напряжений в некоторых зонах.
Все упомянутые выше методы, как правило, реально отражают происходящие изменения геодинамической обстановки и действительно дают основания для объявления тревоги, поскольку они
свидетельствуют о том, что в некотором месте идет процесс накопления тектонической энергии, который может завершиться землетрясением.
Ошибка в подходе к оценке будущего сценария развития событий состоит в том, что обычно
связь между появлением предвестников и последующими сейсмическими событиями считают детерминированной. В реальности связь между ними только вероятностная. Появление указанных предвестников – условие необходимое, но недостаточное для предсказания землетрясений. Таким образом, все названные выше методы склонны к объявлению ложных тревог, но не к пропускам событий.
Есть и другие причины низкой эффективности упомянутых методов.
По-видимому, землетрясение может быть достоверно предсказано лишь за очень короткое время
перед его началом – за минуты или часы. Это станет возможным, если в нашем распоряжении появится информация о переходе ситуации в катастрофический режим. В теории катастроф отмечен об135
Проблемы современного естествознания
щий феномен – импульсный всплеск некоторых параметров перед переходом развития событий в необратимый лавинный режим – собственно катастрофу.
Из этого следует, что мониторинг любых предвестников необходимо вести с возможно большим
временным разрешением для того, чтобы вовремя можно было заметить их импульсное изменение.
При прочих равных условиях большую ценность представляют параметры (относящиеся к предвестникам сейсмических событий), способные локализовать геодинамическую аномалию. Объемные
деформации относятся именно к таким параметрам. Сеть станций мониторинга деформаций, расположенных более или менее равномерно на заданной площади – с интервалами между ними 80–100 км
(минимум 3 станции), позволяет методами тригонометрии рассчитывать местоположение эпицентра
зоны аномальных напряжений в коре. Знание координат эпицентра вероятного сейсмического события позволит лучше оценить вероятность самого события, его магнитуду и силу толчков в любой
удаленной от эпицентра точке, например в городе Петропавловске-Камчатском.
Таким образом, уже сегодня вполне возможно получать ответы на первые два из трех вопросов,
обязательных для предсказания сейсмического события: где, какой магнитуды и когда оно произойдет. Для ответа на первый вопрос есть все необходимые условия, дело лишь за техникой – нужны
средства и время для развертывания сети станций наблюдения за объемными деформациями
и другими параметрами, способными локализовывать источники напряжения. Для ответа на второй
вопрос есть все теоретические основания, необходимо только время для накопления информации
о количественной связи интенсивности деформационных полей с магнитудами происходящих сейсмических событий с учетом глубины нахождения их гипоцентров.
Открытым пока остается третий вопрос. Но и здесь ситуация хотя и очень сложная, но не безнадежная. Уже упоминалось о том, что в теории катастроф отмечено импульсное изменение определенных параметров перед переходом развития событий в лавинный режим. Наблюдения за изменением
объемных деформаций в общем подтверждают этот вывод. Как отмечалось выше, перед землетрясением 1 июня за несколько часов до события наблюдались импульсные изменения величины объемных деформаций. Такая же, но более четкая картина наблюдалась перед более слабым (М = 4,6) землетрясением 27 августа 2000 г. (см. рис. 2) с большей глубиной очага (87 км), но с меньшим
эпицентральным расстоянием (50 км). За 7 и 4 часа перед землетрясением прошли импульсные усиления деформаций с амплитудами 68 и 39 усл. ед. соответственно, при фоне примерно 18 усл. ед.
Получаемая информация о поведении деформационных полей на больших территориях с помощью даже редких сетей – с расстоянием между пунктами наблюдений около 50–100 км будет намного содержательнее и полнее, чем при проведении мониторинга в одной точке. Развитие сети наблюдений и дальнейший прогресс в разработке методики средне- и краткосрочного прогноза
землетрясений зависит сегодня от развития приборной базы. Развивая сети наблюдений, необходимо
более эффективно использовать уже готовую инфраструктуру, устанавливая объемные деформометры, например, на действующих сейсмостанциях, оборудованных телеметрическими каналами.
Рис. 2. Поведение объемных деформаций перед землетрясением 27 августа 2000 г.
По оси ординат – величина деформаций в условных единицах, по оси абсцисс – местное время,
вертикальная черта – момент землетрясения
136
Вестник Камчатского государственного технического университета
Достаточно протяженный ряд наблюдений дает основания для подведения некоторых итогов.
Полученные результаты показывают, что наблюдения за поведением объемных деформаций поверхностных горных пород даже в одной точке очень информативны. Деформации изменяются сложным
образом, откликаясь на некоторые глубинные процессы.
1. Чувствительность геохимического объемного деформометра близка к оптимальной. Она недостаточна для регистрации отклика на регулярные лунно-солнечные приливы, изменения атмосферного давления, температуры и т. д., но в то же время позволяет уверенно регистрировать изменения
деформационных полей, вызываемые значительными геодинамическими событиями (ГДС). С точки
зрения мониторинга опасных событий, влияния на деформации лунно-солнечных приливов, атмосферного давления, температуры и т. д. относятся к шумам. Поэтому возможность их игнорирования
– одно из достоинств метода.
2. В области с радиусом 150–200 км возможно отслеживать все стадии развития ГДС, которые
могут вызывать землетрясения ≥13 класса. При меньших эпицентральных расстояниях отражаются
ГДС и меньшего масштаба.
3. Параметры деформационного поля, естественно, зависят от глубины (Н) нахождения очага
ГДС. Его интенсивность и площадь территории, охваченной аномальными деформациями, при прочих равных условиях, максимальны при глубинах Н = 20–40 км и минимальны при Н = 0–10 км
и Н >50 км. Это подтверждается эмпирическими данными, например землетрясениями 1 июня 1998 г.
и 9 марта 1999 г.
4. Число регистрируемых ГДС, несущих потенциальную опасность завершиться разрушительными землетрясениями и отражающихся контрастными аномалиями деформационных полей, больше
числа происходящих за тот же период времени заметных по силе землетрясений. Это означает, что
потенциально опасные геодинамические ситуации возникают чаще, чем считалось до сих пор (по
крайней мере, на юге Камчатки) – не реже 5–6 раз в год в периоды повышенной геодинамической
активности (например в 1998–2000 гг.), причем «созревание» опасной ситуации происходит, как правило, с высокими скоростями – всего за 1–4 недели. Эта информация обычно ускользает от внимания
исследователей, т. к. медленные (с точки зрения сейсмологии) изменения деформационных полей
сейсмометрами не регистрируются.
5. «Мирное» завершение геодинамической коллизии оказывается наиболее вероятным ординарным
событием, а землетрясение, тем более сильное, к счастью для жителей территорий, опасных в сейсмическом отношении, является редким исключением из правил. По всей вероятности, «тихое» рассеяние
накопленной тектонической энергии происходит вследствие крипа. При крипе генерируются только
низкочастотные колебания (ν <10-3 Гц), которые не фиксируются современными сейсмометрами.
По этой причине, а также вследствие преимущественного измерения в настоящее время лишь региональных линейных деформаций (на больших базах) с относительно длительными интервалами
времени между измерениями (исследования их вариаций только в области инфранизких частот –
10-7–10-8 Гц) и игнорирования изучения объемных деформаций реальные изменения геодинамического состояния обычно остаются неизвестными.
6. Разгрузка тектонической энергии в некоторой локальной зоне с образованием ударных волн
(землетрясение) или без них, по-видимому, всегда (согласно утверждению В.В. Ружича) сопровождается генерацией медленных деформационных волн (МДВ) со скоростью распространения V < 0,1 м/с.
Эта гипотеза хорошо согласуется с эмпирическими данными. Контрастная деформационная аномалия, зафиксированная 27 июня 1998 г. через 26 суток после шипунского землетрясения (класс 13,7,
эпицентральное расстояние 110 км), соответствует МДВ со скоростью 0,05 м/с.
Зарегистрирован также ряд МДВ, не привязанных к определенным геодинамическим феноменам.
Однако практически все они имеют место после четко выраженных деформационных аномалий. При
скорости распространения МДВ, известной и равной, например, 0,05 м/с, гипотетическая связь с максимумами предшествующих деформационных аномалий позволяет определять расстояния до вероятных мест разгрузки тектонической энергии. Зафиксированные МДВ дают основания предположить,
что очаги их образования располагались от точки наблюдения на удалении около 100–120 км, вероятно, в зоне субдукции.
7. В январе – марте 2000 г. зафиксирована очень контрастная деформационная аномалия, после
которой отмечено три случая подхода МДВ, однако заметных сейсмических событий в этот период
не происходило.
8. В мае – июне 2000 г. произошло еще одно яркое деформационное событие, характерной
особенностью которого была аномально высокая скорость увеличения и падения объемных деформаций. С ним совпало три землетрясения. Два из них пришлись на максимумы деформационных аномалий, а третье произошло на ее спаде. С 21 августа по 10 сентября имело место еще
137
Проблемы современного естествознания
одно контрастное деформационное возмущение с высокой скоростью нарастания и спада деформаций. В период максимума этой аномалии произошло два землетрясения. Они отличались небольшими эпицентральными расстояниями (70 и 50 км) и относительно большими глубинами нахождения очагов (40 и 87 км соответственно).
9. Накопленная информация свидетельствует о том, что в периоды отсутствия заметных деформационных возмущений землетрясений класса ≥13 в области с радиусом 150 км от точки наблюдения
не происходит. Этот факт позволяет на основе текущих данных мониторинга давать прогнозы, гарантирующие предстоящие спокойные периоды длительностью, по крайней мере, 1–2 недели.
10. Малая вероятность завершения геодинамических аномалий катастрофическими финалами
объясняет низкую эффективность среднесрочного прогноза землетрясений, сделанного на основе
любых известных предвестников. Поскольку все современные предвестники (гидрохимические, электромагнитные, геохимические, геофизические и т. д.) основаны на откликах некоторых параметров
среды на геодинамические (деформационные) аномалии в некоторых участках земной коры, постольку надежность такого среднесрочного прогноза, по-видимому, не может быть высокой. Факт наличия
геодинамического возмущения – условие необходимое, но недостаточное для надежного среднесрочного прогноза землетрясения.
11. Рост объемных деформаций указывает на возникновение очередной коллизии между некоторыми блоками пород коры, которая может завершиться землетрясением. Это дает основания для объявления периода «тревожного ожидания», который должен отменяться после ясного выявления тенденции к ослаблению объемных деформаций.
12. Характер вариаций объемных деформаций позволяет с большой долей уверенности предполагать, что в принципе возможен надежный краткосрочный прогноз сильных сейсмических событий за
1,5–24 часа до их наступления. Причем чем значительнее событие, тем прогнозирование проще и надежнее. Критерий краткосрочного прогноза – появление на высоком деформационном фоне импульсных усилений объемных деформаций в два и более раза.
Именно такое поведение деформаций было зарегистрировано 1 июня 1989 г. перед единственным
за весь период мониторинга значительным сейсмическим событием, зафиксированным в г. Петропавловске-Камчатском. За 23 и 1,5 часа перед землетрясением (класс 13,7, эпицентральное расстояние
110 км, Н = 35 км) были зафиксированы по одному резкому и кратковременному (t ≤ 30 мин) усилению объемных деформаций – своеобразный «треск». Такой же характер вариаций деформаций отмечен и 27 августа 2000 г. За 7 и 4 часа до более слабого, но с меньшим эпицентральным расстоянием
(50 км) события были зарегистрированы контрастные импульсные аномалии.
Такой феномен, по-видимому, указывает на необратимый переход процесса разгрузки накопленной
тектонической энергии в катастрофический режим, который неизбежно должен завершиться землетрясением. При крипе таких предваряющих разгрузку импульсных сигналов ни разу не отмечалось.
13. Объемные деформации выступают в роли одного из эффективных индикаторов геодинамических феноменов, удачно дополняя традиционные методы и заполняя частотную брешь 10-2–10-6 Гц между методами сейсмологии и геодезии. Кроме того, возможно, что объемные деформации несут информацию, принципиально отличающуюся от линейных деформаций, измеряемых на больших базах.
14. Другое важное достоинство мониторинга объемных деформаций с помощью геохимического
деформометра – практическое отсутствие ограничений в выборе мест расположения точек наблюдения. При их оборудовании также не требуется проведения каких-либо горных работ, например бурения скважин или прохождения шурфов или шпуров. Датчик может устанавливаться прямо на поверхности пород, как коренных, так и рыхлых.
При исследовании региональных явлений точки наблюдения следует размещать как можно дальше
от активных геологических объектов – разломов, гидротермальных зон и т. п., поскольку каждая такая
геологическая зона живет собственной жизнью, откликаясь не только на региональные события, но и на
внутренние процессы, играющие в данном случае роль шумов. Их уровень может оказаться таким высоким, что выделение искомых сигналов от региональных источников окажется невозможным.
15. Исследование полей объемных деформаций по площади сетью станций наблюдения, расположенных в шахматном порядке, позволяет намного увеличить количество получаемой информации.
Сеть дает возможность определять координаты эпицентров развивающихся и угасающих геодинамических аномалий. Знание положения эпицентров очагов вероятных сейсмических событий и, следовательно, более реальная оценка величины накапливаемой тектонической энергии позволит существенно
улучшить качество прогноза опасных сейсмических событий. Для региональных работ расстояния между пунктами наблюдения должны быть порядка 50–100 км. Первый шаг на этом пути – запуск второй
точки наблюдения в г. Петропавловске-Камчатском на территории технического университета
(КамчатГТУ), намеченный на сентябрь текущего года. Хотя базовое расстояние (дистанция между
138
Вестник Камчатского государственного технического университета
КамчатГТУ и Институтом вулканологии) и мало (всего 5 км), тем не менее, качество мониторинга
должно резко возрасти за счет ведения сопряженных наблюдений в двух независимых точках.
16. Энергично развивающаяся с середины августа 2002 г. геодинамическая аномалия означает
начало нового периода геодинамической активности после почти двухлетнего затишья.
Литература
1. Левин В.Е. и др. Предварительные результаты GPS-мониторинга на Камчатке и Командорских
островах // Вулканология и сейсмология. – 2002. – № 1. – С. 3–11.
3. Методы прогноза землетрясений. Их применение в Японии / Под ред. Асади Тоши. – М.: Недра, 1984. – С. 312.
4. Степанов И.И. и др. Новые данные о формах нахождения ртути в горных породах и минералах // Доклады АН СССР. – 1982. – Т. 266, № 4. – С. 1007–1011.
УДК 620.22
ЛАЗЕРНО-ИОННОЕ ЛЕГИРОВАНИЕ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
Г.П. Исаев (КамчатГТУ)
В работе рассматриваются вопросы, связанные с проблемой упрочнения металлов и сплавов
методами обычного внедрения примесей на основе явления диффузии, за счет ионной имплантации на основе вакуумно-дугового разряда, а также упрочнение материалов на основе лазерного
излучения. Обсуждаются вопросы, связанные с комплексным упрочнением металлоизделий путем
лазерно-ионного легирования.
The questions connected with a problem of hardening of metals and alloys by methods of usual introduction of impurity on the basis of the phenomenon of diffusion are considered{examined}, due to ionic implantation on the basis of thevacuum-arc category, and also hardening of materials on the basis of
laser radiation are examined in the work. The questions, connected to complex hardening of hardware by
laser-ionic alloying are discussed too.
В настоящее время известно множество видов упрочнения металлов и сплавов. При этом свойства легированных поверхностей различных материалов определяются как составом легирующих добавок, так и их концентрационным содержанием в веществе. Использование обычной технологии легирования, например металлов в металлургии, во-первых, оказывается неэкономичным из-за
необходимости введения больших количеств дорогостоящих легирующих добавок на основе объемного легирования, а, во-вторых, некоторые соединения методом обычной металлургии просто невозможно получить. Поэтому тот факт, что химические, механические и другие свойства вещества определяются концентрацией легирующих примесей и, соответственно, их соединений, заставляет искать
пути увеличения их концентрации [1].
С другой стороны, модификация только самой поверхности металлов и сплавов путем таких целей, как борирование, азотирование и других, связана с процессом физического явления диффузии,
внедряемой в обрабатываемый образец примеси, что приводит к увеличению срока службы упрочненных металлоизделий. Однако данный факт существенно ограничивается процессом внедрения
примеси из-за особенностей физического явления диффузии (скоростью, глубиной и т. д.). Поэтому
тот факт, что химические, механические и другие свойства вещества определяются концентрацией
легирующих примесей и, соответственно, их соединений, приводит к необходимости поиска дополнительных путей увеличения их концентрации за счет других способов реализации процесса внедрения в упрочняемый образец легирующих добавок [2].
Следует иметь в виду, что рассмотренные выше способы легирования не позволяют проводить
процесс упрочнения поверхности металлов и сплавов на основе тугоплавких материалов, например
вольфрама. Для решения таких задач по легированию поверхностей металлов и сплавов, а также для
целей нанесения проводящих покрытий на диэлектрические поверхности в настоящее время широко
используются различные способы получения ионных пучков. Целью этих способов является необходимость получения ионных пучков с максимальным током ионов при минимальной потребляемой
мощности и минимальном расходе рабочего вещества. Кроме вышеперечисленных задач, разработаны способы получения ионных пучков, целью которых является проблема решения специфических
требований, таких как возможность получения ионов большого числа химических элементов, в т. ч.
и тугоплавких, быстрая смена одного рабочего элемента на другой, а также проблема получения пучков ионов большого сечения.
139
Проблемы современного естествознания
Для реализации вышеприведенных проблем разработано несколько способов получения ионных
пучков. Самым распространенным способом является способ, в котором пары рабочего вещества получают в специальном тигле, помещенном в электротермическую печь. Пары рабочего вещества из
тигля подают в разрядную камеру, где электрический разряд их ионизирует. Из полученной в данном
случае плазмы разряда формируют и вытягивают ионный пучок путем подачи электрического потенциала на специальные фокусирующие электроды [3]. Этот способ позволяет получать ионы многих
металлов с силой тока до сотен ампер. Однако при этом расходуется большая мощность, достигающая значения в десятки киловатт. Кроме того, этот способ не позволяет быстро переходить с одного
рабочего места материала на другое и получать ионы тугоплавких металлов. Реализация данного способа требует сложных конструктивных решений, так как, кроме отдельной печи с тиглем, требуются
дополнительные устройства для поддержания при высокой температуре трубопровода, подающего
пар в разрядную камеру.
Кроме рассмотренного выше способа, известен также и способ получения тугоплавких металлов,
в котором используется катодное распыление для получения паров рабочего вещества [4]. В этом
способе пластинка рабочего вещества вводится в плазму разряда, дополнительно на нее подается отрицательный потенциал, под действием которого материал пластинки подвергается интенсивной
бомбардировке положительными ионами, образованными при разряде в инертном газе, предварительно подаваемом в разрядную камеру.
Таким образом, в рабочей камере, наряду с ионами из распыляемой пластинки, будут присутствовать
и ионы инертного газа, так как он необходим не только в начальной стадии, но и в процессе работы, потому что катодное распыление рабочего вещества не обеспечивает необходимого давления паров рабочего вещества для устойчивого разряда в камере. Поэтому обычно на один ион металла извлекается 1 000
ионов инертного газа. Эта особенность способа может сделать его совершенно непригодным для ряда
технологических применений, требующих высокую степень чистоты легирующих добавок.
Наиболее наглядным способом для получения ионов тугоплавких металлов является способ,
в котором ионы получаются путем непосредственного воздействия лазерного излучения на поверхность катода, выполненного из соответствующего рабочего вещества [5]. В этом способе сфокусированное лазерное излучение большой мощности (например от лазера ОГМ-20) направляется на поверхность катода, выполненного из того материала, ионы которого требуется получить.
Под действием электромагнитного лазерного излучения на поверхности катода, выполненного из
требуемого материала, образуется плазма, из которой вытягиваются ионы путем подачи электрического
потенциала, вектор напряженности электрического поля которого при этом совпадает с направлением
преимущественного направления распространения плазмы рабочего вещества. Разность потенциалов при
этом подают на специальные металлические электроды, расположенные перед катодом.
Рабочая установка для реализации этого способа включает вакуумную камеру, в которой установлена твердотельная мишень, на противоположной стенке вакуумной камеры расположено оптическое окно, оптическая ось которого наклонена на угол порядка 70–80° относительно поверхности
мишени. Перед оптическим окном вакуумной камеры расположены фокусирующая система и лазер,
генерирующий мощное лазерное излучение. Перед мишенью расположены плоские вытягивающие
электроды, плоскости которых параллельны поверхности мишени, подвергающейся воздействию лазерного излучения.
Использование лазера позволяет получать ионы различных металлов, в т. ч. и тугоплавкие, но
при этом требуется интенсивность лазерного излучения порядка 107 ÷ 1010 Вт/см2. Для этой цели генерируемое лазерное излучение фокусируется в пятно малого размера, что не позволяет получать
пучки с большой площадью поперечного сечения и большой ионной интенсивностью для целей облучения массивных образцов.
Для решения задачи имплантации ионов со всей поверхности катода необходимо устранить недостатки способа легирования [5], а именно: увеличить кпд источника ионов и соответственно увеличить интенсивность пучка ионов. Для этого, как и в работе [5], можно воздействовать на обрабатываемую поверхность твердотельной мишени сфокусированным лазерным излучением с последующим
процессом накладывания на образовавшийся плазменный объем электрического поля с той целью,
чтобы повысить мощность лазерного излучения на единицу поверхности мишени до значения, равного Wкр, при которой начинается интенсивное испарение рабочего вещества, а потери тепла при этом
за счет теплопроводности становятся пренебрежимо малыми. Образовавшуюся струю испаренного
вещества ионизируют электрическим разрядом, накладывая электрическое поле, вектор напряженности которого, как и в работе [5], параллелен вектору скорости струи пара, а извлечение ионов из
плазмы разряда осуществляется путем наложения дополнительного электрического поля, вектор напряженности которого перпендикулярен вектору скорости струи пара.
140
Вестник Камчатского государственного технического университета
Рабочая установка, как и в работе [5], должна содержать вакуумную камеру, в которой расположена твердотельная мишень. Лазер в данном случае будет расположен вне вакуумной камеры. Тракт
для транспортировки лазерного излучения будет включать фокусирующую линзу и окно для ввода
лазерного излучения в вакуумную камеру. В вакуумной камере должны быть расположены две пары
электродов, во-первых, для извлечения ионов из плазмы и, во-вторых, для формирования ионного
пучка. В отличие от работы [5], твердотельная мишень рабочего вещества должна быть выполнена не
в виде таблетки из рабочего вещества, а запрессована в металлическую трубку на глубину 5d, где
d – диаметр трубки. Перед трубкой, выполняющей функцию мишени, расположен ряд плоских дополнительных электродов. Плоские электроды имеют отверстия с диаметром, равным диаметру трубкимишени, электроды, извлекающие ионы и формирующие ионный пучок, расположены под рядом
плоских электродов так, что их плоскости параллельны оси трубки-мишени. Таким образом, плоскости этих электродов будут параллельны направлению нормали мишени, а не перпендикулярны к
нормали мишени, как и в работе [5].
В данном способе упрочнения металлоизделий электромагнитное лазерное излучение используется только для целей испарения рабочего вещества, поэтому в данном случае не требуется высокой
температуры на поверхности твердотельной мишени, в отличие от работы [5], в которой ионный ток
можно оценить с помощью обычного уравнения Ричардсона–Смита:
2
j = Ap T e
−
ϕp
kT
,
где Ap – константа, связанная с теплоемкостью металла мишени, φ – работа выхода положительного
иона, k – постоянная Больцмана, T – абсолютная температура. На основании этого можно заключить,
что мощность лазерного излучения может быть снижена на 2–3 порядка и поддерживаться такой для
того, чтобы поглощаемая мощность лазерного излучения мишенью расходовалась главным образом
за счет испарения вещества мишени и не успевала бы отводиться вовнутрь мишени за счет теплопроводности. Величина такой мощности, приходящейся на единицу поверхности, при которой теплопроводность почти не влияет на процесс испарения, определяется соотношением [6]:
Wкр ≥ 2 L ρ
χ
,
t
где L – скрытая теплота испарения единицы массы, ρ – плотность вещества мишени, χ – коэффициент
теплопроводности, t – длительность лазерного импульса. Следует иметь в виду, что для миллисекундного лазерного импульса типичные величины Wкр лежат в пределах 105–107 Вт/ см 2 .
Существенным отличием предлагаемого способа упрочнения металлоизделий является возможность дополнительной ионизации паров рабочего вещества мишени, которая создается за счет накладывания электрического поля, вектор напряженности которого параллелен направлению преимущественного распространения паров рабочего вещества, а вытягивание ионов из плазмы разряда
и формирование ионного пучка производится другим электрическим полем, вектор напряженности которого перпендикулярен скорости преимущественного распространения испаренного рабочего вещества.
Для ионизации паров в рабочей установке установлен ряд плоских электродов с отверстиями.
Эти электроды расположены перед трубкой-мишенью так, что их плоскости перпендикулярны оси
трубки, а центры отверстий в этих электродах расположены по оси трубки-мишени. Струя пара проходит через отверстия в электродах и заполняет межэлектродное пространство. При приложении
электрического поля происходит разряд, в результате чего пары рабочего вещества, находящегося
между электродами, ионизируются. Отверстия в плоских электродах служат также для транспортировки лазерного излучения к поверхности мишени. Так как ионизация рабочего вещества, в данном
случае легирование ионных пучков в металлы и сплавы, производится дополнительным разрядом, то
отпадает необходимость производить отбор ионов по направлению, близкому к нормали поверхности, где наблюдается большое число ионов, как и в работе [5]. Это обстоятельство значительно улучшает конструкцию источника, потому что появляется возможность легко разделить тракт транспортировки лазерного излучения и тракты формирования и транспортировки ионного пучка, поэтому, в отличие от
работы [5], электроды, которые, с одной стороны, вытягивают ионы, а с другой – формируют пучок, расположены так, что их плоскости параллельны скорости распространения струи пара. Поэтому в данном
случае нет необходимости конструировать или размещать электроды, формирующие пучок так, чтобы
они не препятствовали попаданию лазерного излучения на мишень источника.
В работе [7] были рассмотрены вопросы относительно возможности генерации, транспортировки
и имплантации ионных пучков в металлы и сплавы. С другой стороны, в работе [8] было отмечено,
141
Проблемы современного естествознания
что в принципе можно осуществлять процесс имплантации не только на основе одного элемента периодической системы элементов Менделеева, так как инициация рабочего вещества плазмы осуществляется на основе вакуумно-дугового разряда, но также при создании многоэлементного катода, когда в различных секторах катода расположены различные элементы. Это достигается путем
последовательной инициации ионных пучков для легирования не отдельными элементами, а непосредственно готовыми соединениями, например в виде карбидов и оксидов бора, формируемых
в приповерхностном слое обрабатываемого образца.
Рассмотренные способы [7, 8] упрочнения металлов и сплавов позволили устранить отмеченные
выше недостатки других способов путем внедрения примесей не в атомарном виде, а в виде ионного
пучка, причем процесс генерации ионного пучка на основе вакуумно-дугового разряда позволил генерировать ионные пучки тугоплавких металлов. Более того, на основе вакуумно-дугового разряда
возможно получение кластерных ионных пучков кислорода на основе кислородосодержащей керамики с последующим образованием в приповерхностном слое различных оксидных соединений, приводящих к значительному упрочнению рабочей поверхности металлоизделий. Внедрить же атомы или
ионы кислорода другими способами не представляется возможным из-за сильной активности кислорода, приводящей к быстрому разрушению рабочей камеры.
Проведенные пробные эксперименты по одновременному упрочнению металлоизделий, полученные методом ионной имплантации и методом радиационного облучения на основе пучка лазера
ОГМ-20 рабочей поверхности штампов и сверл, приводили к повышению износостойкости рабочего
инструмента до 80 % по сравнению с одним из рассмотренных выше методов. Следует иметь в виду,
что особое значение при анализе микроструктуры, формирующейся при данном методе упрочнения
металлоизделий, приобретает проблема знания дозы внедряемых ионов. В случае непрерывных пучков достаточно точная информация о дозе может быть получена при использовании специальных цилиндров Фарадея, в которых предусмотрены системы отсечки вторичных ионов и электронов.
Точные измерения пучка частотно-импульсного ускорителя «Радуга» потребовали дополнительной
разработки диагностической аппаратуры. Измерение пучка осуществлялось путем накопления и последующего считывания интегрального заряда с помощью системы, которая включала генератор, пиковый
вольтметр, анализатор и счетчики импульсов. Калибровка аппаратуры при различных дозах внедряемых
ионов осуществлялась на основе различных ядерно-физических методов, основанных на взаимодействии
ионов высоких энергий (1–2 МэВ) с веществом (методы резерфордовского излучения).
Следует отметить, что, в отличие от мощных ионных и лазерных пучков, при воздействии на
мишень стационарных и квазистационарных пучков в последней не возникает макроскопических
ударных волн. Это обусловлено, прежде всего, значительно меньшей мощностью ионных пучков,
используемых в процессе имплантации.
Процесс получения плазмы рабочего вещества в две стадии и последующее формирование ионного пучка значительно увеличивает объем плазмы, из которой формируется ионный пучок при значительно меньшей лазерной мощности.
При ионной имплантации температурный режим облучаемой поверхности не превышает 400 °С,
при применении метода упрочнения образца на основе комплексного использования метода ионной
имплантации и лазерного излучения температура обрабатываемой поверхности может превысить
значение 800 °С, что будет вызывать структурные изменения в приповерхностном слое, приводящие
не к ожидаемому упрочнению, а наоборот, к снижению прочности металлоизделий по сравнению с
первоначальным состоянием обрабатываемого образца. На основании сказанного можно заключить,
что для практического использования обсуждаемого метода лазерно-ионного легирования необходимо всесторонне проанализировать температурный режим обрабатываемой поверхности упрочняемых
металлоизделий.
Литература
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов. – М.: Металлургия, 1969.
Дороднов А.М. Промышленные плазменные установки. – М.: Изд-во МВТУ им. Баумана, 1979.
Габович М.Д. Физика и техника плазменных источников ионов. – М.: Атомиздат, 1972.
Rautenbuch W.L. Nuclear Instrum. And Methods. – 1960. – № 9. – Р. 199.
Альтузов Ю.К., Басова Т.А. // Журнал технической физики. – 1979. – Т. 49, вып. 9.
Реди Дж. Действие мощного лазерного излучения. – М.: Мир, 1974.
Арзубов Н.М. и др. Способ ионной имплантации. Авт. св. № 1412517, 22.03.1988.
Арзубов Н.М. и др. Источник ионов. Авт. св., 8.01.1988.
142
Вестник Камчатского государственного технического университета
УДК 550.89
ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО ДЕЗИНТЕГРАЦИИ БАЗАЛЬТОВОГО РАСПЛАВА
Б. И. Самойленко (КамчатГТУ)
При нагревании базальтов Большого Трещинного Толбачинского извержения в различных
средах наблюдалось разложение расплава образца на две несмешивающиеся жидкости. Одна из
них, образовывавшая капли, обогащена железом, вторая, растекавшаяся по электродунагревателю, имела высокое содержание алюминия. Процесс ликвации происходил особенно активно, когда через расплав проходил переменный ток.
When heating basalys of the Lrge Tolbachinsky eruption, decomposition of melying sample into two
nit mixing liquids was observed (the liguiation). One of them, forming drips, is rich with iron; the second,
spreadihg along an electrode-heater, had a lot of aluminium. Process of liquition occurred, especially actively on passing an alternating current through the melt.
В процессе работы по теме «Исследование фазовых изменений в продуктах вулканических извержений в связи со структурой магматических расплавов» автору пришлось заниматься изучением
температурной зависимости поверхностного натяжения базальтового расплава [1]. Для этого использовались базальты извержения Большого Трещинного Толбачинского извержения (БТТИ) 1975–1976 гг.
Плавление исследуемой породы производилось в высокотемпературной печи, позволявшей получать
температуры до 2 000 °С в условиях обычной атмосферы.
В процессе работы неожиданно обнаружилось вспучивание, порой очень сильное, исследуемого расплава при определенных температурах (1 250 и 1 450 °С) и последующая его ликвация – разделение первоначально однородного расплава на несмешивающиеся жидкости разного состава. Это явление было
известно и ранее, оно исследовалось Э.С. Персиковым, Е.И. Безменом, А.А. Маракушевым и другими [2].
Для этих экспериментов была построена специальная высокотемпературная печь, в которой
плавление проводилось в стальной, охлаждаемой водой камере с окошками, дающими возможность
наблюдать происходящее. Эта камера хорошо герметизировалась, что позволяло проводить эксперименты в различных средах: от вакуума до искусственно создаваемой атмосферы. Это были атмосферы сухого воздуха, инертного газа (аргона), водорода и водяного пара. Проводились эксперименты
и на обычном воздухе. Нагревателями служили два графитовых стержня длиной 12 см и диаметром
6 мм. Стержни включались параллельно, и через них пропускался переменный ток силой 300–400 А
при напряжении 10–15 В. На стержни помещалась навеска – 5–10 г исследуемого вещества. Это было
стекло переплавленного глиноземистого базальта БТТИ, прогревавшегося на воздухе при температуре 1 500 °С до полного удаления из расплава газов с последующей закалкой на воздухе.
Первая серия экспериментов проводилась в атмосфере влажного воздуха (исходная относительная влажность 60 % при 20 °С). При росте температуры до 1 200 °С стержни подгорали, и в камере
устанавливалась восстановительная атмосфера. Капля расплава при этом вспенивалась, расплав быстро растекался по нагревателям. Характер и скорость растекания свидетельствовали о том, что вязкость расплава резко понижалась. В результате эксперимента стекло изменяло цвет: из коричневого
становилось светло-зеленым, образовывались зоны расслоения в виде тонкой флюидальности из полос дымчатого и прозрачного стекла. У контакта расплава с графитом образовались газовые пузырьки. Были отмечены сферические включения с металлическим блеском.
Схема данного процесса может быть следующей. На поверхности раскаленного графитового
стержня происходит разложение воды с выделением атомарного водорода, проникающего беспрепятственно в расплав. Это приводит к восстановлению трехвалентного железа до двухвалентного и даже
до металлического. Вода, как продукт реакции, образует газовые пузырьки. Об этом свидетельствует
слабое вспучивание расплава в сухой атмосфере. Когда на нагреватели между расплавом и стержнями помещалась платиновая подложка, прозрачная при высоких температурах для атомарного водорода, то процесс расслоения был практически таким же. Из этого можно сделать вывод, что вышеприведенная схема близка к реальности.
Нагревание базальтовой крошки в отдельном кварцевом патроне, помещенном в трубчатую горизонтальную печь, до температуры 1 300 °С, не привело к восстановлению базальта. Из этого следовало, что для разложения базальта необходим контакт с токонесущим нагревателем.
Когда в кварцевый патрон в исследуемое вещество вводились электроды, выполняемые из сплава
ЭИ-600, толщиной 2 мм, длиной 150 мм, расположенные параллельно, и на них подавалось переменное напряжение 50 В с частотой 50 Гц на протяжении всего нагрева, то было отмечено разложение
базальта. Когда при тех же условиях на электроды было подано такое же постоянное напряжение, то
143
Проблемы современного естествознания
спустя 15–20 секунд после расплавления породы из-за поляризации электродов прохождение тока
через расплав прекращалось, а спустя несколько минут анод полностью растворялся.
Это свидетельствует о том, что расслоение расплава в восстановительной атмосфере сильно активизируется при возбуждении в расплаве переменного электрического тока. Это может быть ток,
проходящий непосредственно через расплав, или возбуждаемые вихревые токи. В варианте с электродами восстановление идет при гораздо меньших расходах электроэнергии. По-видимому, переменное электрическое поле приводит к образованию на поверхности расплава микроскопических электролитических ячеек, в которых происходит разложение воды с выделением атомарного водорода.
При нагреве капли до 1 400–1 500 °С на графитовых нагревателях капля сначала вспучивается,
затем начинает «кипеть»; при этом появляется белый «дым». Во время «кипения» капля быстро перемещается по горячей зоне нагревателя. При прекращении выделения возгона расплав мгновенно
распадается на две несмешивающиеся жидкости. Одна с высоким поверхностным натяжением представляет собой капли силицида железа с высоким содержанием титана, хрома и марганца. Вторая
жидкость с малым поверхностным натяжением растекается по нагревателю и впитывается в него. Состав ее близок к стехеометрическому гелениту – CaAl2SiO6. Возгон представляет собой частицы, обогащенные кремнием, алюминием, кальцием.
При прогреве и расплавлении базальта в обезвоженной атмосфере плавление начинается при температуре 1 040 °С, а вокруг нагревателя отмечается голубое пламя. При дальнейшем росте температуры
до 1 100 °С плавление прекращается и возобновляется при температуре 1 320 °С. При этом пламя исчезает, а при температуре 1 340 °С вещество начинает вспучиваться. Вспучивание достигает максимума
при температуре 1 480 °С, из расплава начинают появляться пузырьки. Но пузырение не столь интенсивное, как во влажной атмосфере. Белый «дым» на протяжении всего эксперимента отсутствует. Микрозондовый анализ вещества капли показывает, что оно представляет собой чистое железо.
В атмосфере аргона едва заметное плавление вещества отмечается при температуре 1 000 °С, и только при 1 420 °С происходит полное расплавление образца и образование капли. Пузырение слабое, и оно
отмечается только непосредственно у контакта с графитовой подложкой лишь при температуре 1 580 °С.
Белый «дым» отсутствует. Полученные металлические капли представляют собой чистое железо.
Тот же эксперимент, проведенный в вакууме на графитовых нагревателях, не привел к разложению базальта при прогревании до температуры 1 800 °С. При этой температуре базальт бурно вскипает и превращается в прозрачное бесцветное стекло. Это происходит из-за того, что при этой температуре из расплава испаряются окислы железа.
Резюмируя, можно сказать, что прогрев базальта до высоких температур в атмосфере воды приводит к выделению ферросилицида и появлению железа в сухой атмосфере. Железо появляется независимо от того, есть в атмосфере кислород или нет. Последнее обстоятельство определяет только
температуру, при которой происходит разложение. Существенным обстоятельством, ускоряющим
процесс разложения, является прохождение через расплав переменного электрического тока.
Во время экспериментов визуальным путем отмечалось существенное падение вязкости расплава
в восстановительной атмосфере, но специально это явление не исследовалось.
Литература
1. Самойленко Б.И. Зависимость поверхностного натяжения базальта Большого Трещинного Толбачинского извержения 1975–1976 гг. от температуры // Вулканология и сейсмология. – 1985. – № 1.
2. Чехмир А.С., Персиков Э.С., Эпельбаум М.Б., Бухтияров П.Г. Экспериментальное изучение
транспорта водорода через модельный магматический расплав // Геохимия. – 1985. – № 5.
144
Вестник Камчатского государственного технического университета
УДК 622.771.5
СРАВНЕНИЕ ТРАДИЦИОННЫХ МЕТОДОВ ОБРАБОТКИ СЫРЬЯ
И КОНДЕНСАЦИОННОГО ОБОГАЩЕНИЯ ГЕОТЕРМАЛЬНЫХ ФЛЮИДОВ
А.Р. Ляндзберг (КамчатГТУ)
Показан метод комплексной переработки геотермальных флюидов путем частичной конденсации, позволяющий получать обогащенные химические растворы. Проведено сравнение
с традиционным методом получения промышленного продукта на примере серной кислоты.
Показаны технико-экономические преимущества метода конденсационного обогащения.
The method of geothermal fluids’ complex process by the partially condensation which alloy to receive enriching chemical solutions is present. It is made a comparison with the traditional method of industrial product receipt on the example of sulphuric acid. The technical and economic advantages of
condensing enriches method are shown.
Использование геотермальных флюидов как источника тепловой и электрической энергии является
традиционным. В настоящее время прослеживается тенденция освоения месторождений геотермальных
теплоносителей со все большими термодинамическими параметрами, что связано с повышением эффективности энергоизвлечения. Однако с ростом термодинамических параметров геотермального пара
резко возрастает количество удерживаемых им при прохождении через горные породы минеральных
соединений, которые требуют утилизации. Попытка игнорировать этот факт и осваивать флюиды исключительно как теплоносители приводит к уменьшению эффективности переработки в результате
коррозии теплотехнического оборудования (в т. ч. технически сложных и дорогостоящих турбин), поскольку геотермальные флюиды несут в том числе и такие активные химические соединения, как NH4+,
F-, Cl-, SO32- , SO42- , HSO4- в высокой степени концентрации. Поэтому технологически, экономически и
экологически обоснованным является подход, при котором высокотемпературные геотермальные
флюиды рассматриваются как жидкие руды, новый вид минерального сырья [1, 2].
Традиционные химические и сорбционные методы извлечения химических соединений из парогазовых смесей с температурой более 300 °С без их полного предварительного охлаждения нереализуемы даже в лабораторных условиях [1]. Нормальные характеристики высокотемпературных флюидов (минерализация до 30 г/л, давление до 40 атм, температура до 300 °С, высокий удельный расход)
делают химические и сорбционные методы извлечения неприменимыми. На основании анализа существующих методов обработки парогазовых потоков в качестве оптимального метода переработки
высокотемпературных геотермальных флюидов А.С. Латкиным была предложена частичная конденсация [2], при реализации которой достигается комплексный эффект:
– получается конденсат ценных соединений высокой концентрации;
– сохраняется высокое теплосодержание остаточного пара;
– остаточный пар очищается от примесей, следовательно, вызывает существенно меньшую
коррозию теплотехнического оборудования;
– сбрасываемый из системы отработанный конденсат, очищенный от примесей, вызывает существенно меньшие загрязнения окружающей среды или коррозию систем утилизации.
В качестве аппарата для ведения комплексной переработки геотермального флюида путем его
частичной конденсации в работе [2] предложен вихревой конденсатор-сепаратор, представляющий
собой аппарат вихревого типа, оснащенный охлаждающей рубашкой. Он пригоден для одновременного ведения процессов охлаждения, конденсации, абсорбционного обогащения и сепарации обрабатываемого потока. Проведенное нами аналитическое сравнение существующих типов циклонновихревых аппаратов и областей их применения показало, что оптимальными для обработки геотермального флюида являются аппараты со взаимодействующими закрученными потоками (ВЗП), особенностью которых является ввод газа в камеру через несколько разделенных патрубков, разнесенных по высоте или по радиусу (многосопловой аппарат, где несколько входных патрубков разнесены
только по окружности, является обычным циклоном с более равномерным вводом среды, но не аппаратом ВЗП). Согласно данным большинства исследований, аппараты ВЗП превосходят прочие конструкции по всем удельным показателям и могут заменять их практически в любой области работы.
Принцип обработки геотермального флюида в вихревом аппарате путем частичной конденсации следующий: флюид из скважины подается в охлаждаемый вихревой конденсатор-сепаратор. Там происходит
его охлаждение и частичная конденсация. Образовавшиеся капли жидкости обладают высокой сорбционной активностью по отношению к находящимся в паре соединениям и имеют развитую поверхность, за
счет чего происходит их обогащение химическими веществами. Получившийся концентрат сепарируется
145
Проблемы современного естествознания
на стенки, улавливается и выводится из аппарата в виде обогащенного раствора, а очищенный пар направляется на дальнейшую переработку (как правило, на утилизацию в турбину).
Рис. 1. Комбинированная функциональная схема получения серной кислоты
При рассмотрении процесса комплексной переработки геотермальных флюидов с точки зрения
получения ценных химических компонентов необходимо обосновать технико-экономическую эффективность вихревого конденсационного обогащения по сравнению с традиционными методами переработки минерального сырья. Проведем данное сравнение для одного из основных химических компонентов флюида – серной кислоты [1]. Традиционный процесс ее получения (т. н. контактный
метод) состоит из окисления диоксида серы до триоксида в присутствии ванадиевого катализатора и
поглощения триоксида водой с получением серной кислоты. Диоксид серы может быть получен путем сжигания серы, обжигом пирита или иных серосодержащих соединений, а также из отходящих
газов цветной металлургии. Согласно работе [3], до 1990 г. в СССР около 50 % серной кислоты производилось из серы в качестве исходного сырья, 33–35 % – из колчедана, 5–7 % – из иных соединений и 8–12 % – при утилизации сбрасываемых газов цветной металлургии.
Рассмотрим процесс получения серной кислоты из серы, как наиболее распространенный по объему производимого промышленного продукта. В этом случае получение сырья требует специальных
процессов по его добыче и горнорудной переработке, включая предварительные стадии геологоразведки и постройки горнодобывающего предприятия. Получение серной кислоты в виде комплексной
функциональной схемы, составленной на основе работ [3, 4], показано нами на рис. 1. В целом процесс состоит из четырех основных стадий и включает предварительные работы по геологоразведке
146
Вестник Камчатского государственного технического университета
и постройке шахты, добычу руды, ее обогащение и химическую переработку.
При получении серной кислоты путем конденсационного обогащения геотермальных флюидов
процесс состоит из нескольких простых операций. Получение первичного продукта для горнорудной
промышленности (в данном случае – чернового раствора кислот, однако возможно и получение концентрата солей металлов, аналогичного результирующему промпродукту при процессах выщелачивания минерального сырья) из геотермального флюида с одновременной очисткой пара для дальнейшей утилизации тепловой энергии в турбине осуществляется методом частичной конденсации.
Технически это требует бурения скважины глубиной 1–3 км и постройки установки, включающей три
основных (вихревой конденсатор-сепаратор и турбина с электрогенератором) и не более десяти
вспомогательных аппаратов, причем технически сложным из них является только один – турбина.
При этом все основные процессы обработки флюида – его охлаждение, частичная конденсация, обогащение и сепарация – совмещены и протекают в одном аппарате (ВКС). Функциональная схема
комплексной переработки геотермальных флюидов с получением кислоты («готовый концентрат»)
путем конденсационного обогащения представлена на рис. 2.
Рис. 2. Функциональная схема комплексной переработки геотермальных флюидов
Из сопоставления схем рис. 1 и 2 хорошо видно, что разница в затратах на производство продукта по данным способам проявляется уже на этапе предварительных работ: если геологоразведка требуется в обоих случаях, то при утилизации геотермального флюида необходимо только бурение комплекса скважин, что заметно дешевле постройки шахты или карьера, требуемых для добычи твердой
руды. Далее при получении кислоты по традиционной схеме необходима постройка еще двух специализированных предприятий: обогатительного и химико-перерабатывающего, каждое с мощным
аппаратным фондом. Реализация подобного проекта возможна только в технологически развитом регионе с привлечением инвестиций на уровне государственного бюджета. В то же время промышленное получение кислоты из геотермальных флюидов возможно на любом месторождении с достаточным содержанием ценного компонента. При этом требуется постройка технически простой станции
по переработке флюида, включающей только два основных аппарата – вихревой обогатительный
конденсатор-сепаратор и турбину. Причем технически сложным агрегатом из них является только
турбина, поэтому данный проект может быть реализован в любом регионе с затратами на уровне
краевого или даже областного бюджета.
Характерной особенностью технологического процесса переработки геотермальных флюидов является то, что при проведении конденсационного обогащения паровых растворов в конденсат переходят все (по номенклатуре) содержащиеся в исходном флюиде соединения, т. е. на выходе получается концентрат смеси различных кислот и солей. По сравнению с традиционным процессом
получения реактивов, дающим химически чистые продукты, данное свойство является негативным
моментом. Однако согласно исследованиям [5], именно комплекс кислот является оптимальным реагентом при ведении гидрометаллургических процессов выщелачивания, а геотермальный концентрат
в этом случае может быть эффективным заменителем «чистых» реактивов и композиций на их основе. Его значительно более низкая стоимость снимает главную проблему реализации гидрометаллургическо147
Проблемы современного естествознания
го метода переработки руд – высокие расходы на реагенты. Это позволяет в технически малоразвитых районах страны вовлечь в эксплуатацию сырьевые ресурсы и развивать горноперерабатывающую промышленность, что в рамках традиционных технологических решений было бы невозможно из-за высоких затрат.
В целом получаемые из геотермальных флюидов продукты могут применяться для чанового
и площадного выщелачивания металлсодержащих руд, экспериментального подземного выщелачивания, гидрохимической переработки (модифицирования) природных и техногенных цеолитов и др.
[1, 2, 5]. Проведенный авторами [1, 5] оценочный расчет показал, что по сравнению с традиционными
технологиями получения серы и флюорита метод утилизации химических соединений из геотермального флюида дает возможность выхода аналогичного продукта при затратах в 10–20 раз ниже. Параллельно после утилизации остаточного очищенного пара получается электроэнергия, стоимость
которой в 3–5 раз ниже энергии, полученной другими способами. Кроме того, извлечение химических элементов геотермальных месторождений позволяет существенно улучшать экологическую обстановку в районе месторождения и прилегающем к нему гидрогеологическом бассейне. Это однозначно говорит о существенных технико-экономических преимуществах метода конденсационного
обогащения по сравнению с традиционными способами добычи и переработки минеральных ресурсов для получения химических веществ.
Литература
1. Белова Т.П., Латкин А.С., Трухин Ю.П. Основы комплексного использования ресурсов высокотемпературных геотермальных теплоносителей. – Владивосток: Дальнаука, 2002. – 244 с.
2. Латкин А.С. Научные и технологические основы повышения эффективности переработки
дисперсного минерального сырья на базе вихревых аппаратов: Дис. … докт. техн. наук. – Хабаровск,
1994. – 387 с.
3. Общая химическая технология: Учеб. для техн. вузов / Кутепов А.М., Бондарева Т.И., Беренгартен М.Г.. 2-е изд., испр. и доп. – М.: Высшая школа, 1990. – 520 с.
4. Справочник по обогащению руд. Обогатительные фабрики / Под ред. О.С. Богданова,
Ю.Ф.Ненарокомова. 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Недра, 1984. – 358 с.
5. Белова Т.П. Физико-химическое обоснование технологического использования нетрадиционного
минерального сырья Курило-Камчатского региона: Дис. … канд. техн. наук. – Чита: ЧитГТУ, 1999. – 152 с.
УДК 621.3.01
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБЛАСТИ РАБОТОСПОСОБНОСТИ СУДОВЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
СРЕДСТВ АВТОМАТИЗАЦИИ МЕТОДОМ СТАТИСТИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ
Н.Н. Портнягин (КамчатГТУ)
Рассмотрены вопросы построения эффективных диагностических моделей судовых электрических средств автоматизации на основе совершенствования метода изоварных характеристик и развития приложений теории электрических цепей. Приведен разработанный автором алгоритм метода статистических испытаний, проиллюстрированный на примере диагностики
трехфазного мостового выпрямителя.
The questions of construction of effective diagnostic models of ship electrical means of automation
are considered on the basis of perfection of a method IZOVAR of the characteristics and development of
the theory of electrical circuits. The algorithm, developed by the author, of a method of statistical tests illustrated on an example of diagnostics three-phase electronic rectifier is given.
На современном этапе эксплуатации судов промыслового флота, характеризующемся значительным увеличением аварийности, существенно возросла роль средств и методов диагностики судовых
электрических средств автоматизации. Разработанный в работе [1] метод оценки состояния сложной
электрической цепи при его реализации требует решения задачи определения границ области работоспособности в пространстве признаков диагностических параметров. Аналитически условия, определяющие границы области работоспособности, выражаются в виде системы неравенств:
y j min ≤ y j ( x ) ≤ y j max ,
(1)
где yj(x) – j–ая функция работоспособности; j – индекс, определяющий номер двухполюсного элемента на эквивалентной схеме замещения j = 1, 2, …, M, где М – общее количество элементов эквива148
Вестник Камчатского государственного технического университета
лентной схемы замещения), yj max, yj min – соответственно наибольшее и наименьшее значение j-го параметра, х – множество двухполюсных компонентов электрической цепи.
В работе [2] показано, что для оценки «холодного» состояния объекта диагностирования необходимо выделить два наиболее значимых канала и провести с каждым из них опыт холостого хода. Полученные из опыта значения коэффициентов передач по каждому из каналов К1(yj) и К2 (yj) соответственно удовлетворяют неравенствам:
− 1 ≤ K 1( y j ) ≤ 1,
− 1 ≤ K 2( y j ) ≤ 1.
(2)
Учитывая более жесткие ограничения неравнества (1), получим систему неравенств:
K 1( y j min ) ≤ K 1( y j ) ≤ K 1( y j max );
K 1( y j min ) ≤ K 1( y j ) ≤ K 1( y j max ).
(3)
При построении семейства характеристик К1j = f(К2j) учет неравенств (3) приведет к ограничению изоварных кривых с обеих сторон и выделению отрезков кривых, пересекающихся в исходной
рабочей точке, соответствующей номинальным значениям уjн(х). Концы отрезков, полученные в результате учета неравенств (3), определяют область работоспособности объекта диагностирования при
условии однократного дефекта. Однако реальные электрические и электронные устройства содержат
не только двухполюсные компоненты – резисторы, емкости, диоды и т. д., но и многополюсные –
трансформаторы, транзисторы, тиристоры, интегральные микросхемы и другие сложные электрические и электронные приборы. Выход из строя таких компонентов приводит к кратным дефектам, и
непосредственное использование системы неравенств (3) для определения области работоспособности в этих ситуациях невозможно.
Задача построения области работоспособности при условии как одиночных, так и кратных дефектов может быть разрешена в вероятностной постановке. Для каждой точки пространства значимых параметров (К1, К2) должна быть определена функция р(К1, К2) плотности вероятности нахождения объекта диагностирования в работоспособном состоянии и функция рн(К1, К2) плотности
вероятности нахождения объекта диагностирования в неработоспособном состоянии, которые удовлетворяют следующему условию:
1 1
∫∫ ( p( К 1, К 2 ) + р
Н(
К 1, К 2 ))dK 1 dK 2 = 1.
(4)
1 1
Кроме того, функция р(К1, К2) имеет постоянное значение при условии выполнения неравенств
(3), а при выходе координат оценки состояния объекта диагностирования за пределы неравенств (3)
значения функции р(К1, К2) равны нулю. Для однократных дефектов определение функции р(К1, К2)
не представляет затруднений, так как интегрирование условия (4) осуществляется по всем рабочим отрезкам изоварных характеристик. Таким образом, вероятность нахождения объекта в работоспособном
состоянии равна единице в точках семейства изоварных кривых в случае однократного дефекта. Если
объект диагностирования может иметь N-кратные дефекты, оценка состояния объекта по двум координатам К1 и К2 становится неоднозначной, каждой точке оценки состояния соответствует множество
векторов уj(х), а функция р(К1, К2) имеет максимум в рабочей точке и убывает по мере приближения к
граничным условиям (3). Естественно предположить, что при переходе хотя бы одного неравенства в
равенство значение функции р(К1, К2) равно нулю. Очевидно, что вид функции р(К1, К2) зависит от
топологии элементов объекта диагностирования и их свойств. Если вероятности возникновения кратных дефектов невелики, функция р(К1, К2) близка к константе на всей области (3), если же вероятность
возникновения кратных дефектов велика, вид функции р(К1, К2) зависит от топологии соединения элементов объекта диагностирования. Для определения области работоспособности в пространстве К1, К2
в каждой точке пространства необходимо вычислить значение Р – вероятности нахождения объекта в
работоспособном состоянии, вычислив отношение значения функции р(К1, К2) к сумме значений
р(К1, К2) и рн(К1, К2). Определив функцию Р(К1, К2), задавшись требуемым пороговым значением величины вероятности (например Р > 0,95), получим область работоспособности объекта в пространстве
выделенных параметров К1, К2.
Аналитическое решение рассматриваемой задачи не найдено, так как нахождение функций р(К1,
К2) и рн(К1, К2) в общем случае затруднено из-за высокой размерности системы уравнений, опреде149
Проблемы современного естествознания
ляющих К1 и К2 как функции уj. В такой ситуации наиболее эффективным является метод статистических испытаний. Для реализации метода статистических испытаний необходимо иметь:
– детерминированную модель диагностирования, реализованную в виде программы;
– генератор случайных чисел;
– алгоритм испытаний;
– графическое построение функций плотности вероятности и вероятности нахождения параметров объекта в области диагностирования.
Детерминированная модель диагностирования с использованием изоварных характеристик, реализованная в виде программы, подробно рассмотрена в работе [2]. Генератор случайных чисел может
быть реализован с использованием стандартных функций языков программирования при решении
задач невысокой размерности (до 10 диагностических параметров). При решении задач высокой размерности малая периодичность стандартных датчиков случайных чисел не позволит их использовать,
и потребуется создание специального генератора случайных чисел.
В качестве алгоритма испытаний используем статистическое испытание с двумя возможными
исходами: уj удовлетворяет системе неравенств (1) и уj не удовлетворяет системе неравенств (1.1),
допускаем также, что последовательность испытаний можно считать последовательностью независимых испытаний по схеме Бернулли. Тогда в результате каждого испытания с номером n будем иметь:
Начало
1
Модель многополюсника
Уjmin, Уjmax
N – число испытаний
Ввод начальных
данных
Генерация [уj]n
2
3
Вычисление [К1}, {К2}
4
Вычисление {F]n
5
[F]n=1
Нет
Да
Накопление [p(K1,K2)]
6
7
Накопление [pн(K1, K2)]
Да
8
n
≤ N
Нет
9
10
Вычисление [Р(К1, К2)]
Построение поверхности
Конец
Рис.1. Блок-схема алгоритма построения функции вероятности работоспособности объекта
диагностирования в координатах К1, К2
150
Вестник Камчатского государственного технического университета
– значения компонент [уJ ]n;
– значения координат на плоскости диагностических признаков [К1]n, [К2]n;
– значение функции принадлежности испытания к области работоспособности [F]n = 1, если
система неравенств (1) не нарушена, [F]n = 0 в противном случае.
Полученные результаты по каждому испытанию накапливаются в два двумерных массива, по
столбцам которых отложены дискретные значения [К1]n, а по строкам – [К2]n. Таким образом, по завершении работы алгоритма будут накоплены два массива в дискретных координатах [К1], [К2],
массив численных значений функции плотности вероятности работоспособности объекта диагностирования [p{K1,K2}] и массив численных значений плотности вероятности неработоспособности объекта диагностирования [pн(К1, К2)]. Следующей процедурой является вычисление численных значений третьего массива [P{K1, K2}] – вероятности работоспособности объекта диагностирования. Для
этого необходимо каждый элемент массива определить по следующей формуле:
P( K 1, K 2 ) = p( K 1, K 2 ) /[ p( K 1, K 2 ) + p H ( K 1, K 2 )] .
(1.5)
Построив поверхность на основе формулы (5) и определив на ней линии уровней Р = 0,95; 0,9; 0,8 … ,
получим границы области работоспособности объекта диагностирования для заданного порога вероятности.
Рассмотренный алгоритм для наглядности представим в виде блок-схемы (рис. 1). Детерминированная модель (блоки № 1–5), генератор случайных чисел реализованы в пакете Visual Basic, процедуры накопления плотности вероятности и построения поверхности (блоки № 6–10) реализованы
в пакете EXEL.
Опробование разработанного алгоритма (рис. 2) осуществлено на базе подробно рассмотренного
в работе [1] примера диагностической модели мостового трехфазного выпрямителя, часто использующегося в схемах возбуждения судовых синхронных генераторов и других цепях схем судовой автоматики. В
работе [2] рассмотрен вопрос построения области работоспособности для случая однократного дефекта,
поэтому не было необходимости использовать вероятностные методы решения задачи. Разработанный
автором алгоритм позволяет решать задачу для дефектов любой кратности, что особенно важно при диагностировании схем судовой автоматики, содержащих многополюсные элементы.
.
Рис. 2. Функция Р(К1, К2) вероятности работоспособности трехфазного мостового выпрямителя
На основе полученных результатов можно сделать вывод об эффективности предлагаемого метода при решении рассматриваемой задачи. Функция вероятности Р(К1, К2), представленная на рис.
2 в виде поверхности, получена при N = 1 000, дальнейшее увеличение N не приводит к заметным
изменениям результата, временные затраты и полное выполнение алгоритма для рассматриваемого
примера при N = 1 000 составляют 15 минут при использовании процессора Intel Pentium с тактовой
частотой 166 Мгц. Предлагаемый вероятностный подход к оценке состояния объекта диагностирования позволит решить задачу локализации и определения множественных дефектов, а также задачу
оценки и регулирования запаса работоспособности судовой аппаратуры.
151
Проблемы современного естествознания
Литература
1. Портнягин Н.Н., Пюкке Г.А., Кузнецов С.Е. Диагностирование электрических цепей методом
изовар // Изв. вузов. Электромеханика. – Новочеркасск, 1998. – № 1. – С. 35–40.
2. Портнягин Н.Н., Пюкке Г.А. Выбор диагностических параметров при решении задач диагностирования электронных цепей высокой размерности // Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики: Материалы Международной научно-практической конференции. Ч. 10. – Новочеркасск: ЮРГТУ, 2000. – С.13–19.
УДК 621.317.7
ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОЕ РАЗДЕЛЕНИЕ МИНЕРАЛОВ
В.И. Дядин (КОМСП ГС РАН), Д.С. Синявин (КaмчатГТУ)
В сообщении рассмотрены некоторые особенности воздействия магнитного поля на минералы, содержащие металлические включения малых размеров. Показана возможность разделения
минералов в сильных магнитных полях. Предлагаемый метод может быть использован при промышленной добыче полезных ископаемых.
In the message some features of influence of a magnetic field on the minerals containing metal inclusions of the small sizes are considered. The opportunity of division of minerals in strong magnetic fields
is shown. The offered method can be used on industrial extraction of minerals.
Горнодобывающие отрасли являются важнейшим фактором, дающим России геополитический
вес, веру в стабилизацию и будущее развитие экономики. Потенциал минерально-сырьевой базы позволяет полностью обеспечить потребности страны во всех без исключения видах сырья как для
внутреннего потребления, так и для продажи на внешнем рынке. Но многие наши месторождения по
сравнению с зарубежными характеризуются пониженным качеством руд, более сложными горногеологическими и суровыми климатическими условиями районов добычи [1]. Процесс постоянного
снижения качества горной массы и увеличения доли труднообогатимых руд, характерный для эксплуатируемых месторождений всего мира, в России выражен более ярко, чем в других странах. Особенно это заметно в золотодобыче, так как почти 70 % драгоценного металла в России добывается из
россыпных месторождений. Истощение крупных россыпных и приповерхностных коренных месторождений с относительно хорошим качеством сырья и простых по технологии извлечения заставляет
вовлекать в переработку все более бедные, упорные и сложные по составу руды и пески. Затраты на
добычу возрастают, и добывать золото становится невыгодно. Проблема рентабельности добычи золота с особой остротой заявила о себе в середине 90-х годов, когда было резко сокращено государственное финансирование геологии и горнодобывающей промышленности, а мировые цены на золото
упали примерно с 450 до 250 долларов за унцию. Добыча золота редко приносит сверхприбыли.
Это очень трудное производство, продукция которого на протяжении истории человечества всегда
имела хороший сбыт.
Золото для России – это не только слитки, валюта, но и престижное звание страны – лидера золотодобычи. Золото – это ничем не заменимое сырье для ювелирной промышленности, электроники,
медицины и высоких технологий, это стратегические запасы для будущего развития новых наукоемких отраслей промышленности, это стабильные рабочие места. Большой золотовалютный запас – это
и возможность беспрепятственного обслуживания внешнего долга страны. Большой золотой запас
в любом государстве является мощнейшим фактором, стабилизирующим экономику и денежную
систему, несмотря на то что само золото утратило функцию мировых денег. В условиях стабильно
низких цен на нефть, сохранявшихся на протяжении большей части XX века, для нашей страны золото являлось основным источником получения иностранной валюты. Только за период с 1971 по 1991 гг.
СССР продал западным странам около 5,5 тыс. т золота [2].
В России необходимо наладить добычу золота в больших количествах хотя бы для того, чтобы
привести в порядок расстроенную демократическими преобразованиями экономику и стабилизировать денежную систему. Сырьевая база позволяет в течение нескольких десятилетий добывать не менее 300 т металла в год [3], но для этого необходимо перевооружить золотодобывающую промышленность так, чтобы добыча из любых российских месторождений стала рентабельной, независимо
от цен на мировом рынке. Основой перевооружения должны стать принципиально новые технологии
и аппараты первичного обогащения. Сейчас в России наиболее распространенными являются техно152
Вестник Камчатского государственного технического университета
логии и аппараты гравитационного обогащения, в которых разделение минералов происходит за счет
силы тяжести – самой слабой из фундаментальных сил природы. Сама сила тяжести в процессе разделения участвует лишь косвенно. Разделяют силы трения, которые еще меньше веса разделяемых
частиц, поэтому для аппаратов гравитационного обогащения характерны потери мелких и тонких
фракций металла. Пройдя длительный путь эволюции, аппараты гравитационного обогащения достигли высокой степени совершенства и находятся на вершине своего развития, но их эпоха заканчивается вместе с крупным золотом. Потери мелкого золота были всегда, но на них раньше не обращали внимания, т. к. было достаточно крупных фракций металла. Сейчас, когда большинство россыпей,
содержащих крупное золото, отработано, заметили (!), что при гравитационном обогащении практически все золото меньше 0,1 мм уходит в отвалы, и потери часто достигают 60 % от добытого металла [4]. В последние годы для первичного обогащения песков все больше используются центробежногравитационные аппараты, которые имеют более высокую производительность и извлекают мелкое
золото лучше, чем концентрационные столы. Но эти аппараты лишь передвигают основную массу
потерь в более мелкий класс частиц [5–7].
За рубежом наиболее распространенными технологиями первичного обогащения в настоящее
время являются технологии цианирования, в частности кучное выщелачивание (КВ). Для КВ характерны низкие капитальные затраты и эксплуатационные расходы, малое энерго- и водопотребление,
высокая производительность и, как результат, низкая себестоимость добытого металла. КВ позволяет
извлекать золото микронных и субмикронных размеров. Именно КВ позволило в условиях исчерпания наиболее богатых и удобных для разработки месторождений достичь в первой половине 90-х годов увеличения производства в ведущих золотодобывающих странах.
В России были проведены опытно-промышленные испытания КВ, которые дали техникоэкономические результаты ниже зарубежных. Это связано с объективными причинами, такими как низкие
температуры зимой и технологические свойства руд. Процесс КВ происходит на открытых площадках и
сильно зависит от сезонных колебаний температуры. Для интенсификации процесса приходится применять
дополнительное дробление, рыхление, агломерацию горной массы, вводить дополнительные окислители,
увеличивать расход реагентов, применять подогрев рабочих растворов и т. д. Время отработки штабеля увеличивается до нескольких месяцев, а извлечение металла составляет лишь 50–70 % [8].
В условиях многолетней мерзлоты концентрированные выщелачивающие растворы по границам
спаев льда и минеральной фазы активно просачиваются в грунтовые воды [8]. В районах с высокой
сейсмической активностью (Камчатка, Прибайкалье, зона БАМа, Приморье, Сахалин, Якутия) для
предотвращения просачивания площадки кучного выщелачивания и отстойники выщелачивающих
растворов необходимо строить непроницаемыми и сейсмостойкими, что значительно удорожает
и затягивает сроки ввода месторождений в эксплуатацию, а себестоимость золота, добытого из бедных
месторождений, оказывается выше мировых цен. На многих российских месторождениях технологии
цианирования могут оказаться неприемлемыми из-за низких технико-экономических показателей. Необходима технология первичного обогащения, которая позволяла бы эффективно и безопасно добывать золото, независимо от погодных, горно-геологических условий и технологических свойств руд.
Конечно, наивно надеяться, что удастся быстро разработать какую-то новую, универсальную,
удовлетворяющую всем перечисленным требованиям технологию извлечения. Но, по крайней мере,
двум из перечисленных требований вполне удовлетворяет технология электродинамического разделения, в основе которой лежат фундаментальные законы природы: закон сохранения электрического
заряда, закон электромагнитной индукции, закон сохранения энергии.
Частицы самородных металлов являются хорошими проводниками электрического тока, в то
время как вмещающие их породы являются хорошими изоляторами. Согласно закону электромагнитной индукции в контуре, помещенном в изменяющееся магнитное поле, возникает вихревой ток.
Возникающие в частицах металла вихревые токи проводимости на много порядков больше токов
в частицах вмещающих пород, и с внешним магнитным полем реагируют только они. Подбирая закон, амплитуду и скорость изменения индуцирующего магнитного поля, можно добиться разделения
металла и вмещающих пород. При этом в окружающую среду не попадет ничего постороннего, а частицы металла будут извлекаться независимо от технологических свойств горной массы. Золото в сростках, трудно извлекаемое гравитационными способами, золото «в рубашке», плохо поддающееся
выщелачиванию, электродинамическим способом будет извлекаться без каких-либо дополнительных
технологических переходов. Аппараты электродинамического разделения, благодаря конвейерному
режиму работы, будут компактными, иметь высокую производительность и потреблять мало энергии.
Они могут быть очень удобными при отработке малых россыпных месторождений с мелким золотом.
Электродинамическое разделение может стать основой технологий добычи не только золота, но
и других минералов. Электромагнитные взаимодействия являются такими же универсальными, как
153
Проблемы современного естествознания
и гравитация (достаточно вспомнить, что все вещество состоит из заряженных, находящихся в непрерывном движении элементарных частиц). Но электромагнитные взаимодействия во много раз сильнее гравитационного. Чтобы показать разницу в силах взаимодействия, находят величину отношения
сил электрического отталкивания и гравитационного притяжения двух электронов:
Fk
q2
= 1043,
=
Fn 4π ε ε 0 G m 2
(1)
где Fk – сила Кулона (сила электрического отталкивания);
Fn – сила Ньютона (сила гравитационного притяжения);
q – заряд электрона;
ε – диэлектрическая постоянная вещества;
ε 0 – диэлектрическая постоянная вакуума;
G – гравитационная постоянная;
m –масса электрона.
Просто невозможно отказаться от соблазна воспользоваться хоть малой частью таких сил! Причем
электродинамические силы для конструирования предоставляют больше оперативного простора, чем гравитация, хотя бы потому, что появляются еще и силы отталкивания, которых в гравитации нет.
Вычислим силу взаимодействия частицы металла с внешним магнитным полем. В частице металла переменное магнитное поле индуцирует эдс индукции:
r
r
dФ
,
(2)
E=−
dt
r
где E – эдс индукции в частице металла;
r
Ф – поток вектора магнитной индукции, пронизывающий контур частицы металла.
Поделив обе части уравнения (2) на сопротивление контура и вынося постоянную величину площади контура частицы, получим интегральное значение вихревого тока в частице:
I(t) = –
S dB(t)
.
R dt
(3)
Здесь I(t) – мгновенное значение вихревого тока в частице металла;
S – площадь проводящего контура, пронизываемого магнитным полем;
R – омическое сопротивление проводящего контура;
B(t) – мгновенное значение индукции магнитного поля.
Вихревой ток всегда имеет такое направление, что его собственное магнитное поле препятствует
изменению потока магнитной индукции через контур частицы. Об этом говорит знак минус.
Ток будет взаимодействовать с внешним магнитным полем с силой:
Fa = − B(t) I(t) l = −
S
dB(t)
B(t)
l,
R
dt
(4)
где l – длина контура тока.
Полагая, что частица металла имеет форму сильно уплощенного цилиндра, и учитывая,
ρl
, где ρ – удельное сопротивление проводника; s – площадь поперечного сечения вихревочто R =
s
го тока, можно записать:
Fa = −
dB(t)
π D2
B(t)
.
4ρ
dt
(5)
Здесь D – диаметр цилиндрической частицы. В общем случае площадь поперечного сечения вихревого тока является функцией, зависящей от индукции магнитного поля и скорости ее изменеdB( t ) ⎤
⎡
ния: s = f ⎢ B( t ),
. Чтобы ее вычислить, необходимо решить систему уравнений Максвелла для
dt ⎥⎦
⎣
индуцированного в металлической частице тока. В работе [9] получено решение системы уравнений
и выражение для площади тока, которое оказалось довольно громоздким и сложным для анализа.
Проанализировать, от чего зависит сила взаимодействия частицы металла с магнитным полем, по
154
Вестник Камчатского государственного технического университета
этому выражению сложно. Проще воспользоваться приближением, которое можно получить, обратив внимание на то, что даже при больших скоростях изменения магнитного поля толщина скин-слоя
и размер частиц металла являются величинами одного порядка. Следовательно, вихревой ток заполняет практически весь объем частицы. Для нас это значит, что площадь вихревого тока практически
Dh
. Толщину частицы h можно выразить через диаметр. (Например,
равна сечению частицы: s ≈
2
D
если частица представляет собой пластинку диаметром D и толщиной h =
, что является достаточ10
но распространенной формой частиц среди россыпного золота). Тогда
FA ≈ −
π D4
dB(t)
B(t)
.
40 ρ
dt
(6)
Напомним еще раз, что уравнение (6) является лишь приближением, которым мы можем пользоваться благодаря тому, что размер частиц металла и толщина скин-слоя являются величинами одного
порядка. И еще одно обстоятельство необходимо отметить. Как известно, сила взаимодействия двух
контуров с токами определяется выражением:
F=
2
dM 1,2 I 2 2 dL2
I 1 dL1
+ I1 I 2
+
,
2 dz
dz
2 dz
где L1 , L2 − коэффициенты самоиндукции;
M 1,2 − коэффициент взаимоиндукции.
Частицы металла малы и представляют собой жесткие контуры, значит, F ≈ I 1 I 2 , т. е. мы вполне
законно воспользовались простой «школьной» формулой для оценки величины силы взаимодействия
частицы с полем.
Чтобы проверить, насколько хорошо принятое приближение соответствует действительности,
была проведена серия экспериментов. В магнитное поле соленоида вносились медные пластинки
одинаковой толщины и разного диаметра. С помощью электронных весов ВЛКТ-160 измерялась сила, с которой пластинки выталкивались из магнитного поля. Магнитное поле и скорость его изменения были фиксированы, поэтому сила зависела только от размера пластинок.
Такую же серию экспериментов проделали с пластинками из алюминия, бронзы, латуни и титана. Затем по значениям измеренных сил были построены графики, из которых сразу стало видно, что
кривые зависимостей сил от размера пластинок лучше всего апроксимируются полиномами четвертой степени, т. е. принятую модель и приближение вполне можно использовать для оценки величины
индукции магнитного поля и скорости ее изменения.
Оценим, каким требованиям должно удовлетворять магнитное поле, чтобы на частицу металла
размером 0,1 мм действовала сила, в десять раз большая ее собственного веса:
3
10 P = d g π D .
(7)
4
В формуле (7) d – плотность частицы, g – ускорение свободного падения, D – диаметр.
Учитывая уравнение (7), можно записать:
dg
π D3
4
=
π D4
dB(t) ,
B(t) ⋅
40 ρ
dt
или
10 d g ρ
dB(t) .
= B(t)
D
dt
(8)
Отсюда видно, что для извлечения частиц золота размером 0,1 мм, которое при промывке практически все уходит в отвалы, необходимо, чтобы произведение B(t) dB(t) было бы равно ~ 4,5–5·108.
dt
Такое значение произведения можно получить, если создать магнитное поле индукцией В ~ 10 Тл
и скоростью изменения dB(t) ~ 107–108 Тл/сек. В физике и технике мощных импульсных магнитных
dt
полей такие величины индукции и скорости ее изменения вполне достижимы.
155
Проблемы современного естествознания
Для реализации предлагаемого метода прежде всего необходимо разработать источник питания и
магнитную систему, индуцирующую поле в достаточно большом объеме порядка 1–3 дм3. В условиях
г. Петропавловска-Камчатского в настоящее время построить такой источник и магнитную систему
трудно, но можно. Этим необходимо заниматься сейчас, как бы трудно ни было. Будущие технологии
разделения минералов, несомненно, станут электродинамическими. Рано или поздно это поймут все,
и здесь лучше быть первыми, чтобы не пришлось догонять.
Литература
1. Трубецкой К.П. Проблемы горных наук в связи с научно-техническим развитием освоения
недр Земли // Юбилейная научная сессия по развитию новых направлений и технологий освоения
недр Земли: Тезисы докладов (Москва, 24 – 26 ноября). – Москва, 1999.
2. Аверичев Д. Момент истины для золотодобытчиков // Директор-инфо. – 2001. – № 10.
3. Россыпные месторождения России и других стран СНГ / Под ред. Н.П. Лаверова. – М.: Научный мир, 1997.
4. Богданович А.В., Зарогатский Л.П., Коровников А.Н. Современное оборудование и технологии высокоэффективного извлечения тонкозернистого золота из рудных и техногенных видов сырья
// Обогащение руд. – 1999. – № 4. – С. 33–37.
5. Маньков В.М., Тарасова Т.Б. Применение центробежно-гравитационного метода для извлечения мелкого золота из россыпей // Обогащение руд. – 1999. – № 6. – С. 3–8.
6. Алгебраистова Н.К., Рюмин А.Н., Сазонов А.И. Переработка золотосодержащих продуктов с
использованием концентраторов Knelson // Цветные металлы. – 2000. – № 2. – С. 15–20.
7. Бочаров В.А., Гуриков А.В., Гуриков В.В. Анализ процессов разделения золотосодержащих
продуктов в концентраторах Knelson и Falkon SB // Обогащение руд. – 2002. – № 2. – С. 17–21.
8. Птицин А.Б. Добыча золота методом геотехнологии. Ч. II. Практический опыт кучного и подземного выщелачивания золота // ФТПРПИ. – 2001. – № 2. – С. 73–77.
9. Дядин В.И., Латкин А.С., Синявин Д.С. О возможности электродинамической сепарации //
Проблемы современного естествознания. Материалы научно-технической конференции (25 – 28 марта 2002 г.) / Под ред. А.Я. Исакова. – Петропавловск-Камчатский: Камчат ГТУ, 2002. – С. 53–60.
УДК 546.3
ОСАЖДЕНИЕ КРЕМНЕЗЕМА ИЗ ГИДРОТЕРМАЛЬНОГО ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ
С ДОБАВЛЕНИЕМ ИЗВЕСТИ И ЛЕГКОГИДРОЛИЗУЮЩИХСЯ СОЛЕЙ
В.В. Потапов (КамчатГТУ)
Определены константы реакции полимеризации мономерного кремнезема в гидротермальном
растворе. Выполнены эксперименты по осаждению кремнезема при различной температуре с
вводом гашеной извести, хлористого кальция, сернокислого алюминия, хлорного железа и морской
воды. Изучен механизм коагуляции коллоидного кремнезема под действием катионов Ca2+, Mg2+
и Al3+, Fe3+. Предложена принципиальная технологическая схема осаждения кремнезема из гидротермального теплоносителя с добавлением коагулянтов.
The constants of the reaction of monomer silica polymerization in hydrothermal solution were measured. The experiments on silica precipitation under different temperatures by addition of slaked lime, calcium chloride, aluminium sulphate, ferric chloride and see water were carried out. Mechanism of colloid
silica cagulation by Ca2+, Mg2+ и Al3+, Fe3+ cations was studied. The technological scheme of silica precipitation from the hydrothermal heat carrier by coagulants addition was proposed.
Эффективность использования высокотемпературного гидротермального теплоносителя может
быть существенно повышена на основе разработки рентабельной технологии извлечения кремнезема
[1–4]. Параметры технологии извлечения зависят от особенностей синтеза и характеристик коллоидной
системы кремнезема в гидротермальном растворе: кинетики полимеризации мономерного кремнезема,
размера, поверхностного заряда коллоидных частиц кремнезема, сорбционной способности поверхности частиц по отношению к катионам-коагулянтам и устойчивости коллоидного кремнезема. В данной
работе представлен результат исследования полимеризации и коагуляции и осаждения кремнезема
в гидротермальном растворе под действием катионов Ca2+, Mg2+ и Al3+, Fe3+.
Синтез коллоидной системы кремнезема в гидротермальном растворе происходит в несколько
этапов [1–3]. Первоначально кремнезем поступает в раствор вместе с другими соединениями в ре156
Вестник Камчатского государственного технического университета
зультате химического взаимодействия воды с алюмосиликатными минералами пород гидротермальных месторождений на глубине в зонах тепловых аномалий при повышенных температурах (250–300 °С
и более) и давлении (4,0–10,0 МПа и выше). На глубине при повышенной температуре кремний присутствует в растворе главным образом в виде отдельных молекул кремниевой кислоты H4SiO4. Общее
содержание Ct кремнезема SiO2 в воде при этих условиях можно оценить по растворимости кварца
при температуре 250–300 °С: Ct = 500–700 мг/кг.
При движении в продуктивных скважинах геотермальных теплоэлектростанций (ГеоТЭС) давление и температура раствора снижаются и раствор частично выпаривается. Общее содержание
Ct кремнезема в воде достигает при этом 700–1 000 мг/кг и выше. Следствие этого – образование водного раствора, пересыщенного относительно растворимости аморфного кремнезема Ce [5]. Такое состояние мономерного кремнезема в водном растворе нестабильно. Пересыщение раствора Sm, равное
разности (Cs–Ce) концентрации мономерного кремнезема Cs и растворимости Ce, является движущей
силой процессов нуклеации и полимеризации молекул кремнекислоты с конденсацией силанольных
групп и образованием силоксановых связей в следующих реакциях [6–8]:
OH
OH
OH
OH
⎜
⎜
⎜
⎜
OH — Si— OH + OH — Si — OH → OH — Si — O — Si — OH + H2O;
⎜
⎜
⎜
⎜
OH
OH
OH
OH
SimO(m–1)(OH)(2m+2)+SinO(n–1)(OH)(2n+2)→Si(m+n)O(m+n–1)OH(2n+2m+2) + H2O.
(1)
(2)
В результате нуклеации и полимеризации в растворе формируются частицы гидратированного
кремнезема mSiO2 ⋅ nH2O коллоидных размеров. За счет диссоциации силанольных групп SiOH и отщепления протона H+ поверхность частиц приобретает отрицательный электрический заряд. Отрицательный поверхностный заряд препятствует коагуляции частиц и обеспечивает устойчивость коллоидного кремнезема в растворе. Часть кремнезема, равная растворимости Ce аморфного кремнезема
при данной температуре, после завершения полимеризации находится в мономерной форме.
Скорость нуклеации и концентрация образующихся центров конденсации силанольных групп
увеличиваются со снижением температуры раствора из-за роста пересыщения Sm. Поэтому со снижением температуры концентрация коллоидных частиц растет, а их конечный размер уменьшается [6].
Механическая неустойчивость коллоидной системы вблизи поверхности проводящего канала приводит к образованию отложений аморфного кремнезема из потока гидротермального теплоносителя на
внутренней поверхности теплооборудования и скважин ГеоТЭС [1, 2].
Эксперименты по осаждению кремнезема проводились с пробами гидротермального раствора продуктивных скважин Верхне-Мутновской ГеоЭС, а также скважин 014, 4Э, 016, 26 Мутновского месторождения. Пробы раствора имели одинаковый тип химического состава, характерные значения концентрации основных соединений таковы (мг/кг): Na+ – 239,4, K+ – 42,0, NH4+ – 1,1, Ca2+ – 1,6, Mg2+ – 0,72,
Li+ – 0,71, Fe2+ – 0,1, Al3+ – 0,27, Cl– – 198,5, SO42– – 192,1, HS– – 5,0, HCO3– – 81,0, CO32– – 19,9,
H3BO3 – 106,9, SiO2 – 680,0, pH = 9,2. Перед обработкой показатель pH проб раствора при 20 °С был в
пределах 7,0–9,4, общая минерализация – 1,0–2,5 г/кг, ионная сила раствора – 10–20 ммоль/кг.
Общее содержание кремнезема в пробах составляло 650–820 мг/кг, концентрация мономерного и
коллоидного кремнезема соответствовала температуре обработки проб. Коллоидный кремнезем формировался в результате реакции полимеризации (уравнения 1, 2). Все кривые зависимости пересыщения Sm от продолжительности полимеризации tp в гидротермальном растворе, полученные в сериях
измерений при 20 °С и естественном pH = 8,0–9,4, были одинаковой формы, обращены выпуклостью
вниз к оси абсцисс и характеризовались близкими значениями производной dSm/dtp.
Функция Sm подчиняется дифференциальному уравнению [6, 8]:
dSm/dtp = –kp Smn,
(3)
где kp – константа реакции полимеризации, зависящая от температуры, показателя pH, ионной силы
раствора, np – порядок реакции полимеризации. Зависимость LnSm(tp) в интервале времени tp от 0 до 6 ч
была близка к линейной, что указывало на экспоненциальный характер функции Sm(tp) при np = 1:
LnSm(tp) = LnS0 – tp/τp,
(4)
Sm(tp) = S0 exp(–tp/τp),
где τp – характерное время полимеризации (τp = 1/kp).
(5)
157
Проблемы современного естествознания
Экспериментальная зависимость LnSm(tp) была аппроксимирована уравнением (6), на основе которого найдены константы τp и kp. Значения τp при 20 °С в различных сериях измерений находились
в пределах 1,95–2,22 ч, среднее значение τp = 1,98–2,06 ч, а величина kp = 0,485 ч–1.
Согласно модели Флеминга, реакция полимеризации является реакцией первого порядка как относительно разности (Cs–Ce), так и относительно поверхностной концентрации CSIO ионизованных
гидроксильных групп SiO–, т. е. поверхностного заряда коллоидных частиц [8]:
dCs/dtp = –kf⋅As (Cs–Ce) CSIO,
(6)
где As – удельная площадь поверхности частиц. Константа скорости kf зависит от абсолютной температуры T и ионной силы раствора Is [8]:
kf = kf0 exp((ADH Is0,5)/(1 + Is0,5)).
(7)
Температурная зависимость подчиняется уравнению Аррениуса [8]:
Lnkf0 = 22,1 – Ep/RgT± 2,0,
(8)
где Ep – энергия активации реакции полимеризации, Ep = 54836,6 Дж/моль [8], Rg – газовая постоянная, Rg = 8,31 Дж/моль⋅К. При ADH = 1,238, Is = 0,0106 моль/л, pH = 7,20, As = 4 200 см2/см3 и T = 25 °С
величина kp, полученная Флемингом [8], была равна 1,36⋅10–4 с–1 = 0,489 ч–1, что близко ко значению,
полученному нами при 20 °С (Is = 0,0142 моль/кг, pH = 8,4–9,4, As = 753,4–1076,3 см2/см3).
При увеличении температуры от 20 до 100 °С, согласно данным работы [8], одновременно снижаются удельная поверхность As и удельный заряд CSIO коллоидных частиц, так что произведение
As⋅CSIO падает в 8,408 раза. Общая константа kp, равная kp = kf0⋅As⋅CSIO, увеличивается при этом всего в
14,89 раза. Если экспериментальное значение константы kp при 20 °С, полученное нами, равно 0,485 ч–1,
константы τp = 2,06 ч = 123,6 мин, то значение kp при 100 °С будет равно 7,221 ч–1, а значение константы τp = 0,138 ч = 8,3 мин. При 50 °С значение константы τp = 36,01 мин, при 75 °С τp = 20,91 мин.
Оптимальная продолжительность стадии старения сепарата при 100 °С составляет 30–40 мин.
При pH = 7,0 зависимость Sm(tp) существенно изменялась, при tp от 0 до 6 ч кривая Sm(tp) была
обращена выпуклостью вверх, производная dSm/dtp была заметно ниже, чем в растворе с pH = 8,9–9,4.
При показателе pH = 5–0 наблюдалось ингибирование реакции полимеризации, и значительные изменения концентрации Cs произошли только через несколько суток после начала реакции.
Размеры первичных частиц кремнезема в неполимеризованном растворе находятся в пределах
0,5–1,5 нм [1]. Измерения в пробах гидротермального раствора, полимеризованного при 50–100 °С,
были выполнены методом фотонной корреляционной спектроскопии (ФКС). Получены графики зависимости амплитуды рассеивания Sam от радиуса частиц R. Амплитуда рассеивания Sam – безразмерная
величина, пропорциональная числу частиц, радиусы R которых находятся в указанном диапазоне величин. Измерения проведены при 20 °С, вязкость раствора μ была 1,006⋅10–3 Па⋅с, показатель преломления
водного раствора – 1,3314, угол рассеивания света – 90°, длина волны лазерного света – 633,3 нм. Результаты измерений методом ФКС показали, что монохроматический лазерный свет, проходящий через гидротермальный раствор, рассеивается на частицах коллоидных размеров. Основная доля частиц имела
размеры в диапазоне R = 100,115 – 101,346 = 1,30 – 22,18 нм. Средние значения радиуса частиц Rpoly были в
пределах от 10 до 16 нм, коэффициента диффузии D = 2,9⋅10–7 ± 1,20773⋅10–8 см2/с.
Эксперименты по коагуляции и осаждению коллоидных частиц кремнезема в пробах гидротермального раствора проводились с добавлением извести, хлористого кальция, легкогидролизующихся
солей типа сернокислого алюминия и хлорного железа, морской воды и электрокоагуляцией. Перед
добавлением в сепарат коагулянт измельчался перетиранием, растворялся в горячей воде объемом
20–50 см3 при температуре 95–100 °С и содержался в водном растворе в течение 1–2 минут. После
добавления коагулянта проба сепарата интенсивно перемешивалась в течение 30–40 секунд.
После обработки коагулянтами происходило изменение окраски и увеличение мутности раствора, образование в объеме воды хлопьев, оседание хлопьев на дно сосуда и накопление осадка, осветление раствора над хлопьями. По скорости оседания хлопьев в стоксовском режиме движения определялся эффективный размер хлопьев df [9]:
df = (18 μ u/Δρ g)0,5,
(9)
где u – скорость оседания хлопьев, μ – динамическая вязкость воды, Δρ – разность плотности кремнезема и воды, g – ускорение свободного падения.
Объемная доля осадка с хлопьями составляла не более 0,1–0,2. Осадок отделялся от осветленной части раствора переливом и обезвоживался на центрифуге КФК-2 с частотой до 5 500–6 000
об/мин 20-минутным пробегом, что обеспечивало уровень содержания твердой фазы около 4–6 вес.%,
158
Вестник Камчатского государственного технического университета
и затем высушивался при 105 °С. Через 20–60 минут после обработки в аликвотах осветленного раствора по методикам гидрохимических анализов определялись остаточная концентрация кремнекислоты в коллоидной и растворимой формах, концентрация коагулирующих катионов и показатель pH.
В экспериментах с гашеной известью при температуре 20 °С расход CaO варьировался в широких пределах от 40 до 1 500 мг/кг. Содержание кремнекислоты в растворе убывало, а показатель pH
рос с увеличением расхода извести (табл. 1). При этом происходило осаждение как коллоидного, так
и мономерного кремнезема, однако устойчивость мономерного кремнезема была гораздо выше. Остаточная концентрация катионов Ca2+ была порядка 40–100 мг/кг.
Таблица 1
Результаты обработки сепарата известью при температуре 20 °С
CaO
мг/кг
0
100
150
200
300
400
500
600
800
1000
1500
Ca,*
мг/кг
0
71,4
107,1
142,8
214,2
285,6
357,0
428,4
571,2
714,0
1071,4
pH
9,29
10,10
10,48
10,82
11,42
11,68
11,6
12,07
12,16
12,25
12,25
Ca2+,**
мг/кг
1,6
43,0
58,5
77,1
89,2
87,2
73,1
76,2
58,1
60,0
124,0
Ct,
мг/кг
697,0
158,1
158,0
158,0
153,0
137,5
75,6
75,0
41,3
24,0
1,6
Cs,
мг/кг
150,3
158,1
158,0
158,0
153,0
131,9
73,8
71,3
36,3
24,0
1,6
* Ca – количество катионов кальция, введенных в раствор с известью.
** Ca2+ – остаточная концентрация катионов кальция.
При обработке известью практически весь коллоидный кремнезем осаждался уже при расходе
CaO 80–100 мг/кг, который является критическим расходом при 20 °С. При расходе CaO 60–70 мг/кг
осаждение было неустойчивым, а при расходе CaO 40–50 мг/кг происходило только увеличение мутности раствора без хлопьеобразования. Концентрация мономерного кремнезема начинала уменьшаться при расходе извести CaO более 400 мг/кг, когда остаточное общее содержание SiO2 снижалось до растворимости аморфного кремнезема при температуре обработки проб 20 °С – 120–150 мг/кг
(табл. 1). При расходе CaO менее 400 мг/кг мономерный кремнезем практически не осаждался.
Скорость оседания хлопьев и их размеры зависели от расхода коагулянта: 100 мг/кг CaO:
u = 6,5 мм/мин, df = 14,1 мкм; 200–300 мг/кг CaO: u = 10,2 мм/мин, df = 17,7 мкм; 400–500–600 мг/кг CaO:
u = 8,3–8,5 мм/мин, df = 15,9–16,1 мкм; 800 мг/кг CaO df = 15,6 мкм. Скорость оседания хлопьев после
обработки сначала возрастала при увеличении расхода извести CaO от 100 до 200–300 мг/кг за счет
их укрупнения и роста размера df. При дальнейшем увеличении расхода извести до 400–800 мг/кг
скорость уменьшалась из-за увеличения объемной доли хлопьев и проявления эффекта стесненности
движения. После начала оседания происходило увеличение скорости движения хлопьев и их размера
из-за их объединения (агрегации), затем скорость замедлялась вследствие уменьшения объема осадка, проявления стесненности и увеличения эффективной вязкости. При температуре 20 °С раствор
осветлялся через 20–30 минут после обработки.
Флокуляционную способность проявили свежеосажденные хлопья кремнезема. В раствор одновременно с известью добавлялись хлопья, отделенные через 50–60 минут после добавления 100 мг/кг
извести CaO. Среднее значение остаточной концентрации Ct в пробах, обработанных с добавлением
60 мг/кг CaO и одновременным вводом 500–550 мг/кг SiO2 в составе свежеосажденных хлопьев, было
около 186 мг/кг, что указывало на практически полное осаждение коллоидного кремнезема.
Для изучения коагуляции и осаждения кремнезема катионами Ca2+ с добавлением извести CaO при
повышенной температуре была выполнена обработка горячего раствора при 94–98 °С. Перед обработкой
герметичные емкости с раствором находились в термостате при 94–98 °С в течение 4–5 часов для завершения деполимеризации и перехода части коллоидного кремнезема в мономерный, так что концентрация
Cs становилась равна растворимости Ce при температуре обработки. Коагуляция, хлопьеобразование и
оседание хлопьев в горячем растворе проходили гораздо быстрее, чем в холодном при 20 °С.
При расходе извести CaO 100–200 мг/кг и выше наблюдалось полное осаждение коллоидного кремнезема. При расходе CaO более 700 мг/кг начиналось осаждение мономерного кремнезема. Снижение
остаточного общего содержания Ct кремнезема при 94–98 °С происходило медленее, чем при 20 °С: при
увеличении расхода CaO от 300 до 1 000 мг/кг концентрация Ct снизилась от 315 только до 203,1 мг/кг.
Доля кальция и отношение CaO/SiO2 в составе осажденного материала зависели от расхода извести. Расход извести варьировался от 1 500 до 80 мг/кг, отношение CaO/SiO2 в образцах осадка со159
Проблемы современного естествознания
ответственно уменьшалось от 1,50 до 0,0196. Наименьшая доля кальция была в образце, осажденном
при критическом расходе CaO 80 мг/кг. Доля алюминия и железа в образцах была невелика: отношение Al2O3/SiO2 – 0,00916–0,00490, отношение Fe2O3/SiO2 – 0,0003–0,0028. Осадок имел аморфную
структуру. Образцы с низким значением отношения CaO/SiO2, полученные при малом расходе извести,
после прокаливания при 900 °С переходили в кристобалит SiO2. Образцы с высоким отношением
CaO/SiO2 имели в спектрах рентгенофазового анализа на фоне аморфного галолинии кальцита CaCO3,
а после прокаливания переходили в волластонит CaSiO3 либо в смесь волластонита и кристобалита.
Отношение CaO/SiO2 в материале, осажденном при расходе CaO 80 мг/кг, показало, что для коагуляции и осаждения из гидротермального раствора всего коллоидного кремнезема (500–550 мг/кг
SiO2) необходим ввод критического количества двухзарядных катионов Ca2+ – около 57–60 мг/кг =
1,425–1,50 ммоль/кг. При этом только небольшая часть из них – не более 7–8 мг/кг Ca2+ сорбировалась поверхностью коллоидных частиц кремнезема за счет замещения кальцием водорода H+ в группах SiOH и непосредственно участвовала в нейтрализации отрицательного поверхностного заряда
коллоидных частиц, образовании мостиковых связей между частицами и коагуляции частиц. В реакциях нейтрализации и образования мостиковых связей [10] на один катион кальция Ca2+ приходилось
до 47–48 молекул осажденного диоксида кремния SiO2. С увеличением расхода CaO от 80 мг/кг
и выше происходило неограниченное насыщение поверхности коллоидных частиц катионами кальция и рост отношения CaO/SiO2 в осажденном материале.
Была проведена обработка сепарата гашеной известью с одновременным добавлением морской
воды. Морская вода имела показатель pH, равный 8,3, и повышенные естественные концентрации
катионов кальция Ca2+ – 210 мг/кг и магния Mg2+ – 699 мг/кг. Обработка проводилась при расходах
извести CaO ниже критического – 70–40 мг/кг, расход морской воды составлял 15–100 см3/кг.
При устойчивом осаждении кремнезема хлопьеобразование и осветление раствора начинались
через 1–2 минуты после обработки. Для этого при расходе извести CaO 70 мг/кг необходимо было
добавление 15–20 см3/кг морской воды, при расходе CaO 60 мг/кг – 25–30 см3/кг, при расходе CaO
40–50 мг/кг – около 40 см3/кг. Общее содержание кремнезема SiO2 снижалось при этом до 140–190 мг/кг,
что указывало на практически полное осаждение коллоидного кремнезема. Добавление морской воды
компенсировало увеличение показателя pH раствора после обработки известью.
Наименьшее значение отношения CaO/SiO2, равное 0,006, было достигнуто в образце, осажденном при расходах извести CaO 40 мг/кг и морской воды 40 см3/кг, при отношении Mg/Ca = 2,513.
В таком режиме обработки в раствор вводилось в сумме порядка 65 мг/кг катионов Ca2+ и Mg2+. Судя
по отношению (CaO + MgO)/SiO2, суммарное количество катионов кальция Ca2+ и магния Mg2+, участвовавших в реакциях нейтрализации заряда коллоидных частиц и образовании связей между поверхностью частиц, было около 7,5–8,3 мг/кг. На один катион-коагулянт в реакциях нейтрализации и образования
мостиковых связей приходилась в среднем 30–31 молекула SiO2. Таким образом, дополнительный ввод
морской воды позволяет сократить расход извести и получить материал с пониженной долей кальция.
Результаты обработки с добавлением только значительного количества морской воды показали,
что морская вода действовала как коагулянт и уже при расходе 100 см3/кг обеспечивала устойчивое
осаждение коллоидного кремнезема и снижение концентрации Ct до значений 160–190 мг/кг.
Доля кальция в образцах, осажденных с добавлением морской воды, оказалась очень низкой, отношение CaO/SiO2 было не более 0,0004. Доля магния в осадке была значительно выше, чем доля
кальция. Отношение MgO/SiO2 находилось в пределах 0,02–0,029 и обнаруживало слабую тенденцию
к росту с увеличением расхода морской воды от 100 до 1000 см3/кг. Следовательно, при обработке
морской водой поверхность коллоидных частиц кремнезема не насыщалась катионами Mg2+ и Ca2+
свыше некоторого критического количества 10–11 мг/кг, необходимого для коагуляции частиц. На
один ион-коагулянт, большая часть которых были катионы Mg2+, в реакциях нейтрализации и образования связей между частицами приходилась 20–21 молекула SiO2.
Двухзарядные катионы Ca2+ вводились в гидротермальный раствор и другим способом: при обработке безводным хлористым кальцием CaCl2. Расход CaCl2 в экспериментах варьировался от 500 до 10 000
мг/кг (табл. 2). Критический расход хлористого кальция CaCl2 при температуре 20 °С составлял 500 мг/кг,
критический расход по катионам Ca2+ – 180 мг/кг, что гораздо выше, чем при обработке известью.
Обработка хлористым кальцием при расходе выше критического приводила к полному осаждению коллоидного кремнезема, но мономерный кремнезем был устойчив даже при самых высоких
расходах CaCl2 вплоть до 10 000 мг/кг (табл. 2). С увеличением расхода CaCl2 показатель pH обработанного раствора снижался (табл. 2), а отношение CaO/SiO2 незначительно росло от 0,0163 при расходе 1 500 мг/кг CaCl2 до 0,0755 при расходе 10 000 мг/кг.
160
Вестник Камчатского государственного технического университета
Таблица 2
Результаты обработки проб гидротермального раствора хлористым кальцием CaCl2
CaCl2,
мг/кг
0
500
750
1000
1500
2000
2500
3000
4000
5000
6000
8000
10000
Ca,*
мг/кг
0
180,0
270,0
360,0
540,0
720,0
900,0
1080,0
1440,0
1800,0
2162,1
2880,0
3600,0
Ct ,
мг/кг
687,5
468,8
151,25
131,25
129,4
129,4
126,25
131,25
129,4
135,6
135,6
131,25
130,6
pH
8,90
8,70
8,51
8,54
8,41
8,41
8,52
8,46
8,34
8,37
8,36
8,20
8,29
Cs,
мг/кг
146,9
134,4
120,6
125,6
121,25
125,0
120,0
125,0
121,25
123,75
125,0
123,75
123,75
Ca2+,
мг/кг
н. об.
158,31
242,48
326,65
478,95
633,26
815,63
965,93
1298,6
1633,2
1943,9
2735,4
3286,5
Cl–,**
мг/кг
159,75
408,25
543,15
710
1057,9
1256,7
1615,2
1934,7
2396,2
3195
3728
5360,5
6390,0
* Ca – эквивалентное количество кальция, добавленного с коагулянтом CaCl2, Ca2+.
** Cl– – остаточные концентрации ионов кальция и хлора.
Слабый рост отношения CaO/SiO2 и одновременно устойчивость мономерного кремнезема при
высоких расходах CaCl2 указывали, что поверхность коллоидных частиц слабо насыщалась катионами Ca2+ после достижения некоторого критического количества. В реакциях нейтрализации и образования мостиковых связей между коллоидными частицами участвовало не более 8–9 мг/кг катионов
Ca2+, при этом на один атом Ca2+ приходилось не менее 40–41 молекулы SiO2.
Одновременный ввод 50 см3/кг морской воды при обработке хлористым кальцием позволил проводить коагуляцию и осаждение кремнезема при расходе CaCl2 100 мг/кг, то есть в 5 раз ниже критического
при 20 °С. При этом расходе коагулянтов в раствор вводилось 112,5 мг/кг катионов Ca2+ и Mg2+.
Обработка хлористым кальцием при 96–98 °С обеспечивала снижение общего содержания Ct до
растворимости аморфного кремнезема при повышенной температуре – 411–325 мг/кг. Хлопьеобразование, оседание хлопьев и осветление в горячем растворе происходили сразу после обработки. Критический расход CaCl2 при температуре 96–98 °С снизился до значения менее 300 мг/кг, расход по
катионам Ca2+ – до 108 мг/кг, а отношение CaO/SiO2 в осажденном материале уменьшилось до
0,00865. При таком отношении CaO/SiO2 в нейтрализации поверхностного заряда коллоидных частиц
и образовании мостиковых связей между частицами участвовало не более 3,07–4,37 мг/кг катионов
Ca2+, при этом на один катион Ca2+ приходилось не менее 108–109 молекул SiO2.
В экспериментах по обработке раствора 18-водным сернокислым алюминием Al2(SO4)3⋅18H2O
коагуляция коллоидного кремнезема происходила под действием трехзарядных катионов Al3+. Критический расход Al2(SO4)3⋅18H2O при 20 °С составил 250 мг/кг, расход катионов Al3+ – 20,2 мг/кг =
0,522–0,748 ммоль/кг. Это гораздо ниже, чем критический расход двухзарядных катионов Ca2+ и
Mg2+. Обработка сернокислым алюминием приводила к осаждению только коллоидного кремнезема,
раствор после обработки значительно подкислялся до pH = 4,35–3,66 (табл. 3).
Таблица 3
Результаты обработки гидротермального раствора с добавлением сернокислого алюминия Al2(SO4)3⋅18H2O при 20 °С
Al2(SO4)3
18H2O, мг/кг
0
500
1000
2000
3000
4000
6000
10000
Al,*
мг/кг
0
40,4
80,8
161,6
242,4
323,2
484,8
808,0
Ct,
мг/кг
725,0
161,25
153,1
158,1
158,1
153,1
151,8
128,1
pH
9,22
4,36
4,02
3,78
3,73
3,72
3,66
3,56
* Al – количество алюминия, введенного с коагулянтом.
** Al3+ – остаточная концентрация катионов алюминия.
161
Cs,
мг/кг
162.5
140,6
145,0
156,2
155,0
148,75
140,6
151,2
Al3+,**
мг/кг
н.о.
37,8
108,0
162,0
278,0
318,0
465,75
864,0
Проблемы современного естествознания
Повышенная коагуляционная способность трехзарядных катионов Al3+, очевидно, объяснялась образованием в растворе гидратированных многозарядных поликатионных комплексов алюминия в коллоидной форме. В реакциях нейтрализации отрицательного заряда коллоидных частиц такими комплексами и
образования связей между частицами на один ион Al3+ приходилось не менее 11 молекул SiO2.
Критический расход 6-водного хлорного железа FeCl3⋅6H2O при 20 °С был около 250 мг/кг, расход по катионам железа Fe3+ – 51,5 мг/кг = 0,922 ммоль/кг. Расход катионов Fe3+ был выше, чем катионов Al3+, но заметно ниже, чем двухзарядных катионов Ca2+ и Mg2+. Повышенную коагуляционную способность трехзарядных катионов Fe3+ можно объяснить образованием их поликатионных
гидратированных коллоидных комплексов. Коагуляция и осаждение коллоидного кремнезема наблюдались в диапазоне расходов от 250 до 2 000 мг/кг (табл. 4). Обработка хлористым железом приводила к сильному снижению показателя pH до 1,98–2,10.
Начиная с расхода коагулянта 400 мг/кг происходило активное осаждение гидроксида железа
Fe(OH)3, возникшего в результате гидролиза введенных в раствор катионов железа. Осаждение гидроксида железа сопровождалось соосаждением коллоидного кремнезема, однако с увеличением расхода коагулянта соосаждение кремнезема уменьшалось (табл. 4). При расходе FeCl3⋅6H2O 2 000 мг/кг осаждался
только гидроксид железа, а соосаждения кремнезема не происходило. При расходе FeCl3⋅6H2O 5 000–
10 000 мг/кг из-за сильного подкисления раствора прекращалось осаждение и гидроксида железа.
Таблица 4
Результаты обработки гидротермального раствора с добавлением хлорного железа FeCl3⋅6H2O при температуре 20 °С
FeCl3⋅6H2O, мг/кг
0
200
250
300
400
500
600
800
1000
2000
10000
Fe,*
мг/кг
0
41,2
51,5
61,8
82,4
103,0
123,6
164,8
206,0
412,0
2060,0
pH
Ct, мг/кг
Cs, мг/кг
9,45
6,78
3,73
3,43
2,95
2,75
2,58
2,44
2,36
2,10
1,98
725,0
725,0
187,5
243,75
306,25
178,1
406,25
562,5
665,6
725,0
728,1
156.25
162,5
178,1
156,25
162,5
165,6
165,6
156,25
162,5
156,25
115,6
Fe3+,**
мг/кг
н.о.
22,7
1,12
2,98
5,58
8,93
14,14
24,57
37,96
117,99
1209,65
Fe2+,**
мг/кг
н.о.
2,23
0,56
1,68
3,35
1,17
7,82
8,93
11,73
14,52
279,3
Cl–,**
мг/кг
220,1
298,2
319,5
347,9
376,3
397,6
454,4
518,3
575,1
937,2
3940,5
* Fe – количество катионов Fe3+, введенных с коагулянтом.
** Fe3+, Fe2+, Cl– – остаточные концентрации катионов железа и хлора.
Ухудшение условий соосаждения коллоидного кремнезема при увеличении расхода FeCl3⋅6H2O
от 400 до 2 000 мг/кг объяснялось сильным снижением показателя pH раствора, уменьшением отрицательного заряда частиц кремнезема и ухудшением сорбционной способности поверхности частиц
по отношению к положительно заряженным комплексам гидроксида железа. Мономерный кремнезем
после обработки хлорным железом, так же как и после обработки сернокислым алюминием, хлористым кальцием и морской водой, не осаждался.
В горячем растворе при 96 °С и расходе FeCl3⋅6H2O 1 000–5 000 мг/кг почти все железо, введенное в раствор с коагулянтом, осаждалось, и происходило соосаждение значительной доли коллоидного кремнезема. Такое ускорение коагуляции и осаждения кремнезема в горячем растворе можно объяснить увеличением коэффициента диффузии и повышением подвижности коллоидных частиц
с ростом температуры.
Подщелачивание раствора после обработки легкогидролизующимися солями существенно улучшало условия коагуляции и осаждения кремнезема. После подщелачивания до pH = 8,5 раствором
натриевой щелочи NaOH проб, обработанных при высоком расходе FeCl3 ⋅ 6H2O 5 000–10 000 мг/кг,
произошло практически полное осаждение как коллоидного, так и мономерного кремнезема, а также
гидроксида железа: общее содержание кремнезема Ct снизилось до 12,5–3,0 мг/кг, остаточная концентрация катионов железа Fe не превышала 4,0–1,2 мг/кг. Обработка хлористым кальцием с последующим подщелачиванием до pH = 9,3 позволила провести хлопьеобразование и осаждение значительной доли коллоидного кремнезема при расходе CaCl2 ниже критического – 300 и 400 мг/кг. Для
этого был необходим расход щелочи NaOH в количестве 14–23 мг/кг. Обработка сернокислым алюминием при расходе Al2(SO4)3 ⋅ 18H2O ниже критического 200 мг/кг приводила к коагуляции и осаждению значительной доли коллоидного кремнезема после подщелачивания до pH = 9,0. Расход щелочи NaOH составлял при этом 79,2 мг/кг.
162
Вестник Камчатского государственного технического университета
Эксперименты по осаждению кремнекислоты из сепарата методом электрокоагуляции были выполнены в режиме постоянного тока [2, 4], использовались электроды из алюминия, меди, оцинкованной и нержавеющей стали. Наиболее эффективной была обработка на алюминиевых электродах.
При этом коагулянт поступал в раствор в результате растворения алюминиевого анода и последующего гидролиза катионов Al3+ [11]. В экспериментах варьировались сила тока I в пределах 0,5–3,0 А,
плотность тока j – 10,300 А/м2, напряжение на электродах U – 4–11 В, напряженность электрического
поля – 400–1 100 В/м, расстояние между электродами hel – 5–20 мм, температура раствора ts – 20–60 °С
[2, 4]. Были установлены зависимости остаточной концентрации кремнекислоты и показателя pH раствора от длительности обработки tet на алюминиевых электродах и от электрического заряда QК,
прошедшего через раствор, а также удельные затраты электрической энергии QEL и QSi в зависимости
от весового процента осажденного кремнезема при различной силе тока I и плотности тока j [2, 4].
В результате исследования процесса электрокоагуляции в гидротермальном растворе нами выявлены
оптимальные параметры технологии осаждения кремнезема: диапазон значений плотности тока
j = 30–200 А/м2 и силы тока I = 0,5–1,5 А на 1 кг водного раствора, расстояние между электродами hel = 8–10
мм, длительность обработки tet = 10–40 мин, удельные затраты электрической энергии на 1 кг обрабатываемого раствора QEL = 0,0009–0,0033 кВт⋅час/кг и на 1 кг осажденного кремнезема QSi = 1,8–6,0 кВт⋅час/кг [3].
Осаждение кремнезема при обработке коагулянтами достигалось за счет индивидуального или
комбинированного действия катионов Ca2+, Mg2+, Al3+, Fe3+. Результаты экспериментов показали подобие механизма коагуляции и осаждения кремнезема под действием различных катионов или их
комбинации, введенных в раствор в составе того или иного коагулянта либо смеси коагулянтов. Для
сравнения в табл. 5 представлены данные о механизме коагуляции и осаждения кремнезема в гидротермальном растворе при вводе катионов Ca2+, Mg2+, Al3+ и Fe3+, установленные в экспериментах с
различными коагулянтами. Здесь также содержатся данные по стоимости реагентов, необходимых
для обработки сепарата. В табл. 5 приняты следующие обозначения: КК – коагулирующий катион,
введенный в раствор с коагулянтом, КРК – критический расход коагулянта, при котором наблюдалось полное осаждение коллоидного кремнезема, КРИ – соответствующий критический расход ионов-коагулянтов, ККК – количество катионов-коагулянтов, участвующих в реакциях нейтрализации и
образовании мостиковых связей между частицами коллоидного кремнезема, SiO2/1ион – среднее количество молекул осажденного диоксида кремния, приходящихся на один ион-коагулянт в реакциях
нейтрализации и образовании мостиковых связей, МВ – морская вода, ЭКА – электрокоагуляция.
Таблица 5
Данные о механизме коагуляции и осаждения коллоидного кремнезема в гидротермальном растворе
при добавлении различных коагулянтов при температуре 20 °С
Коагулянт
КК
КРК, мг/кг
КРИ, мг/кг
ККК, мг/кг
SiO2/1ион
Стоимость
руб./кг
Гашеная
известь
Ca2+
80,0
57,1
9,8–10,8
34
0,0015
Известь +МВ
Ca2+, Mg2+
72,5
7,5–8,3
30–31
0,0006
147,8
180,18
8,74–9,6
5,82–6,4
23–34
57–58
–
0,083
112,5
6,96–7,65
35–36
0,0166
Al
Fe3+
40 мг/кг +
40 см3/кг
<100 см3/кг
500
100 мг/кг+
50 см3/кг
250,0
250,0
20,2
55,66
18,0–19,8
48
12–13
11
0,03363
0,03061
Al3+
90,0
90,0
32,5
12
0,01285
МВ
CaCl2
CaCl2 + МВ
Al2(SO4)⋅18H2O
FeCl3⋅6H2O
Алюминий
ЭКА
2+
Ca , Mg
Ca2+
2+
Ca2+, Mg2+
3+
Оценка стоимости обработки в табл. 5 сделана для расхода коагулянта, близкого к критическому, при котором происходит осаждение всего коллоидного кремнезема при 20 °С. Для электрокоагуляции оценка стоимости сделана с учетом затрат электроэнергии, которые при плотности тока
j = 112,7 А/м2, удельном расходе энергии QEL = 3,99 кВт⋅час/кг и весовом проценте осажденного
кремнезема 86,1 % составили 77,62 % от суммарной стоимости обработки. Стоимость обработки
с добавлением только морской воды считалась равной нулю, чему соответствует знак (–) в табл. 5.
Обработка гашеной известью – самая дешевая, стоимость других видов обработки возрастает в следующем ряду (табл. 5): 1) электрокоагуляция на алюминиевых электродах; 2) обработка хлорным железом или сернокислым алюминием; 3) обработка хлористым кальцием.
На основе выполненных экспериментов разработана принципиальная технологическая схема
осаждения кремнезема из потока гидротермального сепарата, оптимальная для теплоносителя с ти163
Проблемы современного естествознания
пом химического состава, изученным на Мутновском месторождении. Полученные результаты позволяют указать для схемы осаждения основные стадии, элементы оборудования и определить технологические параметры: продолжительность стадий, размеры танкеров, расход коагулянта, остаточную концентрацию коллоидного и мономерного кремнезема, характеристики осажденного материала
в зависимости от расхода коагулянта.
Подобная технологическая схема применима для осаждения коллоидного и мономерного кремнезема из жидкой фазы высокотемпературного гидротермального теплоносителя с общим содержанием SiO2 от 300 до 1 500 мг/кг, минерализацией 1 500–2 500 мг/кг, ионной силой 10–20 ммоль/кг,
показателем pH от 9,5 до 7,0 при температуре ниже традиционной температуры реинжекции от 140–
160 °С до 20 °С на геотермальных тепловых и электрических станциях (ГеоТЭС, ГеоЭС). Предложенная схема осаждения может быть также реализована на месторождениях, имеющих запасы высокотемпературного жидкофазного гидротермального теплоносителя, при отсутствии геотермального энергопроизводства только с целью получения аморфного кремнезема. По указанной схеме можно очищать водный
теплоноситель, который используется в открытой рециркуляционной линии для получения тепла по технологии горячих сухих пород. Кроме того, объектом обработки по указанной схеме могут быть сточные воды
различных областей химической промышленности со сходными характеристиками водного раствора.
Рассмотрим схему осаждения для варианта, когда в качестве коагулянта используется известь.
Из трубопровода обратной закачки раствор сепарата поступает в расширитель, где его температура
принимает значение, равное температуре насыщенного водяного пара при давлении в расширителе.
Затем раствор переводится в танкер для старения и завершения реакции полимеризации мономерного
кремнезема с образованием коллоидных частиц. Температура раствора на стадии старения варьируется вместе с давлением в расширителе. Для регулирования температуры и скорости остывания раствора, поступающего в танкер для старения, можно также использовать систему расширителей и теплообменников. Объем танкера для старения выбирается таким, чтобы время пребывания раствора в
его объеме было достаточным для завершения реакции полимеризации: для сепарата Мутновского
месторождения при температуре 100 °С – 30–40 мин.
Через подводящий канал в танкер для старения может добавляться осадитель, способствующий
объединению (агрегации) первичных частиц кремнезема, их росту до необходимого размера и образованию комплексов (агрегатов) этих частиц и мономерного кремнезема определенной формы и размера, т. е. только для формирования микроструктуры кремнезема. Осадитель добавляется в таком
количестве, чтобы отсутствовало осаждение кремнезема из раствора.
В качестве осадителя на этой стадии могут применяться традиционные вещества (известь, морская вода, катионы кальция, магния, алюминия, железа, флокулянты), а также первичные коллоидные
частицы, которые вводятся через отдельную рециркуляционную линию. Осадитель или комбинация
осадителей добавляются в различный момент времени в зависимости от необходимого типа микроструктуры кремнезема: до начала стадии старения и реакции полимеризации, в определенный момент
полимеризации или после завершения полимеризации. Если добавление осадителя во время полимеризации не производится, то конечный размер и концентрация частиц в растворе после завершения
полимеризации определяются только температурой и показателем pH раствора.
После завершения старения раствор с полимеризованным кремнеземом направляется насосом
в танкер-смеситель, в который насосом-дозатором вводится гашеная известь. Расход извести в танкер
перед гашением регулируется дозатором, танкер оборудован мешалкой для перемешивания раствора
гашеной извести. Через дополнительный канал в танкер-смеситель вводятся реагенты. Через него
может вводиться морская вода или другой осадитель (коагулянт или флокулянт) для сокращения расхода извести, а также раствор кислоты или щелочи для регулирования показателя pH сепарата
в момент коагуляции и хлопьеобразования. Например, в варианте обработки легкогидролизующимися солями алюминия или железа через дополнительный канал будет добавляться щелочь для повышения показателя pH и улучшения условий коагуляции коллоидного кремнезема и хлопьеобразования. В объеме танкера-смесителя производится интенсивное перемешивание мешалкой сепарата
и поступившей смеси коагулянтов, что приводит к коагуляции коллоидного кремнезема и хлопьеобразованию. В варианте обработки раствора электрокоагуляцией с использованием электродов из
алюминия вместо танкера-смесителя раствор поступает в электрокоагулятор [2].
Расход извести в танкере-смесителе может варьироваться от малых до средних и больших значений (от 40 до 1 500 мг/кг CaO и более), что будет влиять на долю кальция в осажденном материале
и отношение CaO/SiO2 (в пределах от 0,006 до 1,5–2,0).
После добавления коагулянтов из танкера-смесителя обработанный раствор переводится в танкер-осветлитель, снабженный концентрической вставкой с расширяющейся конусообразной нижней
частью. В танкере-осветлителе происходит отделение хлопьев осадка, который накапливается в дон164
Вестник Камчатского государственного технического университета
ной части и далее отводится из танкера. Осветленный раствор поступает в кольцевое пространство
между наружной и внешней цилиндрическими частями и переливом выводится из танкераосветлителя. Осажденный материал обезвоживается вакуумным фильтром до содержания твердой фазы от 4–7 вес. % до 10–17 вес. % и затем высушивается с использованием геотермального тепла с получением аморфного кальций-силиката. Часть шлама кремнезема возвращается в танкер-смеситель через
рециркуляционную линию, что позволяет снижать расход извести и получать более чистый материал.
Дисперсность осажденного материала регулируется температурой раствора, при которой проходит полимеризация кремнезема, а также составом, количеством и временем добавления осадителя (-ей)
во время полимеризации и при осаждении. Очищенный раствор сепарата далее используется для получения дополнительного тепла и электроэнергии и затем через реинжекционные скважины возвращается обратно в породы гидротермального резервуара.
Повышение эффективности использования гидротермального теплоносителя следует оценивать
с учетом следующих экономических критериев: 1) устранение расходов на простой электростанции в
случае заполнения скважины твердыми отложениями, на удаление отложений из скважины или бурение и строительство новой реинжекционной скважины; 2) производство дополнительного количества
электрической (до 10 %) и тепловой энергии на бинарной установке за счет снижения температуры
реинжекции от 140–150 °С до 100 °С и ниже; 3) получение минерального сырья в виде аморфного
кремнезема SiO2; 4) устойчивое извлечение из сепарата других минералов (соединения Li, B, As).
Установлено, что порядок np реакции полимеризации мономерного кремнезема в гидротермальном растворе равен 1,0. Определены константы скорости полимеризации: kp = 0,485 ч–1 и τp = 2,06 ч
= 123,6 мин при 20 °С, рассчитаны значения этих констант при повышенной температуре. Методом
ФКС установлены размеры коллоидных частиц кремнезема и коэффициент диффузии: Rpoly = 7,2–16 нм,
D = 2,9⋅10-7 см2/с при 20 °С. В ходе экспериментов по обработке гидротермального раствора различными коагулянтами установлен механизм коагуляции и осаждения коллоидного кремнезема:
1) ввод в раствор критического количества 50–120 мг/кг катионов Ca2+, Mg2+, Al3+, Fe3+ (по одному
или в комбинации); 2) сорбция части этих катионов 5–20 мг/кг или их гидратированных поликатионных комплексов поверхностью коллоидных частиц до нейтрализации отрицательного поверхностного заряда; 3) образование мостиковых связей между поверхностью частиц с участием катионовкоагулянтов, коагуляция и осаждение коллоидного кремнезема. На основе полученных результатов
разработана принципиальная технологическая схема осаждения кремнезема с варьируемыми физикохимическими параметрами, оптимальная для гидротермального теплоносителя с конкретным типом
химического состава. Предложены экономические критерии рентабельности технологии осаждения.
Литература
1. Потапов В.В., Кашпура В.Н., Алексеев В.И. Исследование роста твердых отложений в геотермальных теплоэнергетических системах // Теплоэнергетика. – 2001. – № 5. – С. 49–54.
2. Потапов В.В. Электрохимическая обработка гидротермального теплоносителя перед обратной закачкой // Теплоэнергетика. – 2002. – № 1. – С. 38–44.
3. Кашпура В.Н., Потапов В.В. Способ электрохимической обработки гидротермального теплоносителя: Патент РФ на изобретение № 2185334, 2002, приоритет от 12.05.2000.
4. Потапов В.В., Сердан А.А., Словцов И.Б. Осаждение кремнезема из гидротермального теплоносителя электрокоагуляцией // Химическая технология. – 2002. – № 9. – С. 2–9.
5. Fleming B.A., Crerar D.A. Silicic acid ionization and calculation of silica solubility at elevated temperature and pH (application to geothermal fluid processing and reinjection) // Geothermics. – 1982. – Vol.
11. – № 11. – Р.15–29.
6. Айлер Р. Химия кремнезема. Ч.1, 2. –М.: Мир, 1982. – 1127 с.
7. Rothbaum H.P., Rohde A.G. Kinetics of silica polymerization and deposition from dilute solutions
between 5 and 180 0C. J. of Colloid and Interface Sci. – 1979, 71(3). – Р. 533–559.
8. Fleming B.A. Kinetics of reaction between silicic acid and amorphous silica surfaces in NaCl solutions. J. of Coll. and Int. Science. – 1986. – V. 110. № 1. – Р. 40–64.
9. Бабенков Е.Д. Очистка воды коагулянтами. – М.: Наука, 1977. – 355 с.
10. Iler R.K. Coagulation of colloidal silica by calcium ions, mechanism, and effect of particle size. J.
Colloid and Interface Science. – 1975. – V. 53. № 3. – Р. 476–488.
11. Кульский Л.А., Гребенюк В.Д., Савлук О.С. Электрохимия в процессах очистки воды. – К.:
Техника, 1987. – 220 с.
165
Проблемы современного естествознания
УДК [550.86:069.5]551.76
ЭТАЛОННЫЕ ДИАТОМОВЫЕ КОМПЛЕКСЫ
ИЗ ПОЗДНЕКАЙНОЗОЙСКИХ ОТЛОЖЕНИЙ КОРЯКИИ
С.П. Озорнина (КамчатГТУ)
В статье впервые описываются континентальные диатомовые водоросли (Bacillaryophyta),
исследованные из позднемиоцен-эоплейстоценовых озерных и озерно-аллювиальных отложений,
вскрытых скважиной на севере Камчатки. Диатомовая флора представлена 383 таксонами видовыми и внутривидовыми. Выделено пять разновозрастных комплексов, рассматриваются их
особенности и отличия, проводится сопоставление с известными одновозрастными комплексами
других регионов. По смене диатомовых комплексов фиксируются климатические изменения и проводится расчленение рассматриваемых отложений. Рассматриваются некоторые характерные
представители исследованной флоры: Pseudoaulacosira moiseevae (Lupik.) Lupik. et Churs., разнообразие видов рода Tetracyclus, а также переходных форм между видами: T. chudjakovii, , T. ellipticus, T. emarginatus, T. japonicus, T. lacustris.
The article covers, for the fivst time the continental Diatom alga (bacillarophyta) seaweed investigated on the basis of Latemiocene-Eopleistocene lake deposits, found in a chink in the north of Kamchatka. There are 383 taxon special and internalspecies in the diatom algal. It is distinguished 5 complexes, different in age and features. They are compared with known one-age complexes of other regions.
There are some typical representatives of investigated diatom flora.
Работы по геологическому картированию, поискам полезных ископаемых и их ресурсной оценке
невозможны без качественной стратиграфической основы, которая базируется прежде всего на биостратиграфических исследованиях. Поэтому необходима постоянная систематизация палеонтологического материала, которая приводит к более детальному расчленению и корреляции отложений, уточнению возрастных датировок, что в целом способствует эффективному решению геологических задач.
В данной работе представлены результаты исследования диатомовых водорослей из позднемиоценовых-эоплейстоценовых отложений Пенжинской структурно-формационной зоны. Это наиболее
представительные данные, полученные за последние годы при изучении аллювиальных и озерноаллювиальных отложений Пенжинской впадины, вскрытых серией скважин, в частности скважиной № 9, которую считаем опорной. Она вскрывает рыхлые отложения мощностью 176 м в долине
р. Пенжина. Граница неогена и плейстоцена принимается на уровне 1,8 млн лет [1].
Диатомовые комплексы скважины № 9 (Пенжинская структурно-формационная зона)
Скважина № 9 вскрывает озерно-аллювиальные отложения на правом борту р. Пенжина. Здесь
встречена диатомовая флора, которая по разрезу подразделяется на пять диатомовых комплексов
(ДК). Их состав отражен в табл. 1. Полный систематический список диатомовых водорослей с указанием экологической характеристики видов приведен в приложении. При описании комплексов здесь
и далее используются следующие условные обозначения (экземпляров в препарате):
– «единично» – 1–5
– «часто» – 101–1 000
– «редко» – 6 –20
– «очень часто» – 1 001–2 000
– «нередко» – 21–100
– «в массе» – свыше 2 000
Диатомовый кoмплекс 1 выделен в интервале глубин 176,8–143 м. Отложения представлены
переслаиванием песков, суглинков, глин, лигнитов, торфа. Номера анализированных образцов примерно соответствуют глубине их отбора. В нижнем образце 176 наряду с разнообразными пресноводными диатомеями встречены морские формы – затертые, иногда с плохо различимой структурой
створок, в большинстве толстостенные, что позволяет считать их переотложенными. В образцах 174–
172, 167, 159, 158, 152 диатомовые водоросли практически отсутствуют, планктонные формы не
встречены. Это может указывать, что глубина водоема не превышала одного метра. Присутствие
в других образцах планктонных видов Aulacosira distans, A. grаnulata с оценкой обилия «часто»
и другими свидетельствует об увеличении глубины водоема. Всего в описываемом интервале зафиксировано четыре периода обмеления и углубления озерно-болотного водоема.
В целом диатомовый комплекс 1 представлен 133 таксонами, среди которых присутствуют как
планктонные, так и бентические формы. Среди планктонных доминирует с оценками обилия «в массе» – «часто» тот же вид Aulacosira granulata. Субдоминирует c оценками обилия «очень часто» –
«часто» Aulacosira distans, A. granulata var. angustissima, A. praedistans. Спорадически в разрезе встречается оценкой «часто» Aulacosira praeislandica. Из бентических наиболее характерны Tabellaria fenestrata, T. flocculosa, T. poretzsckiae, Fragilaria constricta f. stricta, Eunotia desmogoniformis, E. fallax, E.
166
Вестник Камчатского государственного технического университета
majuscula, E. nodulosa, E. parallela, E. praerupta, E. sudetica et var. bidens, E. valida, Pinnularia borealis, P.
latа, P. nobilis, P. viridis et var. fallax. Видовой состав комплекса характеризует пресноводное озеро,
достаточно крупное по размерам, судя по обильному развитию планктонных видов рода Aulacosira,
но относительно мелководное, о чем говорит присутствие большого числа родов и видов диатомей –
обитателей мелководной литорали и обрастаний с заболоченными берегами.
Наиболее представительные образцы в интервале глубин 176–143 м:
№ образцов
Кол-во форм в образцах
Кол-во вымерших форм
% вымерших форм
176
29
5
17,2
163
54
6
11,1
162
32
5
15,6
156
46
8
17,4
154
46
8
17,4
149
34
8
23,5
147
34
5
14,7
146
52
8
15,3
145
52
8
15,3
144
41
9
22
143
53
5
9,4
По биогеографическому распространению видов во флоре преобладают широко распространенные и космополиты – 60 %, холодноводные: северные, северо-альпийские, арктобореальные – 23 %.
Доминирует космополитный вид Aulacosira granulata, в то же время в образце 154 отмечен южнобореальный вид Desmogonium guanense (1) и в образце 176 – Actinella brasiliensis (1). Присутствие
южно-бореальных видов, обитающих ныне в тропических и субтропических регионах, свидетельствует об относительно теплых климатических условиях в эти периоды.
В верхней части рассматриваемого интервала в образцах 163–145 с оценками обилия «единично»
– «часто» присутствует Eunotia nodulosa. Вид описан из тропических регионов (р. Сайгон, область
Камбо во Вьетнаме) по единичному экземпляру и считался условно тепловодным. Отмечен в миоценовой флоре Компасского Бора на р. Тым в Западной Сибири [2]. При исследовании последних диагноз вида был расширен, к тому же было замечено варьирование его створок и то, что он имеет сходство с E. pectinalis и E. sudetica. В такой ситуации считать этот вид тепловодным сложно.
Для комплексов интервала глубин 176–143 м характерны вымершие формы: Aulacosira praedistans – (P2 – N23 ); A. praegranulata – (P3 – N21 ); A. praeislandica – (P3 – N21); A. praeitalica; A. semilaevis
(N11 – R), обитающие ныне; A. aff. canadensis (N11); A. aff. distans; Tabellaria celatom (N11-2 – N22); Fragilaria bicapitata var. lineolata (N2); F. constricta f. stricta (N13 – N2); F. miocenica var. chankensis f. gracilis
(N13 – N2); F. nitzschioides f. kamchatica (N13 – N21); Eunotia desmogoniformis (N11-2 – N23); E. lavrovii
(P3 – N23); E. majuscula (P3 – N22); E. pectinalis f. antiqua (N13 – N21); E. spinuligera (N13 – N22); E. veneris var.
execta f. minor (N13 – N21); Desmogonium guanense (P3 – R ) – реликт, Pinnularia brevicostata forma (N).
Переходя к обоснованию времени формирования диатомового комплекса 1, необходимо отметить, что большинство исследователей, в том числе В.С. Пушкарь и Т.А. Гребенникова [3] проводят
границу между миоценом и плиоценом на рубеже 5 млн лет внутри зоны Neodenticula kamchаtica
и отмечают интенсивное похолодание планетарного характера в диапазоне 7,2–5 млн л. н. [4, 5],
а в раннем плиоцене фиксируется потепление [5–8]. Климатические колебания находят свое отражение в изменении численности холодноводных и тепловодных диатомей, происходит экологическое
исчезновение и появление многих видов. Такие изменения наиболее четко фиксируются между диатомовыми комплексами 1 и 2. Если учесть, что нижний, первый комплекс, наиболее древний, в нем
присутствует от 6,7 до 23,5 % форм, вымерших к началу плейстоцена, его состав менее разнообразен,
чем второго комплекса, он сопоставим с неогеновыми континентальными комплексами Северной Евразии [9–12] и других районов Камчатки [13–14], мы относим его к позднему миоцену, что согласуется с данными спорово-пыльцевого анализа.
Диатомовый комплекс 2 выделен в интервале 142–65 м. Опробованные отложения представлены чередованием глин, песков, суглинков, супеси и прослоев торфа. В образцах 141, 140, 131, 130
диатомеи не встречены. Бедные комплексы обнаружены в образцах 128, 120, 115, 109,108, 107, 81, 79,
78. Малочисленные комплексы отмечены в интервалах 141–140, 131–130, 128, 109–107, 81, 74 м. Отсутствие в них планктонных видов говорит об обмелении водоема. Наиболее многочисленные комплексы приведены в табл. 1. В целом ДК представлен 257 таксонами.
Наиболее многочисленные комплексы встречены в следующих образцах:
№ образцов
Количество форм
Кол-во вымерших форм
% вымерших форм
142 135 119 112 111 106 105 104
68
70 77
79
66 67
85
76
10
4
5
16
–
13
13
10
14,7 5 ,7 6,5 20,3 – 19,4 15,3 13,2
103 102
56 104
11
23
19,6 22,1
101
83
13
15,7
85
54
15
27,8
73
67
65
130 68
79
19
10
12
14,6 14,2 15,2
Наиболее постоянны и обильны планктонные Aulacosira distans, A. granulata et var. angustissima,
A. italica et var. valida, A. praedistans, A. praegranulata, A. praeislandica, Aulacosira sp.1, Pseudoaulacosira
moiseevae, Tabellaria fenestrata и формы перифитона Tetracyclus chudjakovii, T. ellipticus et var. lancea
f. subrostrata, T. emarginatus, T. lacustris et f. elliptiformis f. nov. et var. capitatus et var. lanceolatus, Tabel167
Проблемы современного естествознания
laria celatom, T. flocculosa, T. poretzsckiae, Fragilaria miocenica, et var. chankensis f. gracilis, Actinella
brasiliensis, Eunotia arcus, E. cleve, E. desmogoniformis, E. faba, E. fallax, E. flexuosa, E. lavrovii, E. majuscula, E. monodon, E. nodulosa, E. obsoleta, E. parallela, E. pectinalis et f. antiqua, E. polyglyphoides, E.
polyglyphis, Е. praerupta et var. bidens et var. muscicola, E. revoluta, E. robusta et var. diadema et var. tetradon, E. septentrionalis, E. spinuligera, E. sudetica et var. bidens, E. tauntonensis, E. valida, E. veneris et
var. execta et f. minor, E. aff. japonica, Stauroneis anceps, S. phoenicenteron, Navicula amphibola, N. semen, Pinnularia alpina, P. borealis, P. brevicostata forma, P. lata, P. mesolepta, P. microstauron var. brebissonii f. diminuta, P. nobilis, P. nodosa, P. pectinalis f. linearis f. nov., P. polyoinica, P. stauroptera, P. viridis
et var. fallax et var. intermedia, Neidium bisulcatum, Cymbella aspera, C. ehrenbergii, C. perpusilla, C. turgida, C. ventricosa, Gomphonema angustatum et var. undulata, G. gracile, Hantzschia amphioxys.
Состав диатомей характеризует осадконакопление, происходившее в мезотрофном озере, более
глубоком, чем в предыдущем интервале с хорошо развитой прибрежной зоной, слегка заболоченной.
Изменение по разрезу количества планктонных видов из родов Aulacosira, Pseudoaulacosira, Tabellaria
и их обилия свидетельствует о неоднократном колебании уровня воды в озере. В комплексе встречены южно-бореальные формы:
№ образцов
Кол-во форм в образцах
Melosira undulata
Actinella brasiliensis
Eunotia japonica
E. monodon var. tropica
E. aff. japonica
Desmogonium guanense
Cymbella ehrenbergii
Кол-во южно-бореал. форм
65
79
1
73
130
93
61
95
38
98
62
101
79
1
102
104
2
103
103
1
105
85
4
3
106
67
112
79
1
117
41
122
55
1
3
1
1
2
1
1
116
57
1
1
2
1
1
1
2
Наиболее тепловодная флора отмечена в образцах 102, 73.
Диатомовый комплекс 2 характеризуется разнобразием вымерших форм: Aulacosira canadensis,
A. aff. canadensis, A. praedistans et f. curvata, A. praegranulata, A. praeislandica, A. praeitalica, A. semilaevis, A. aff. praedistans, A. aff. hibshii, Aulacosira sp.1, A. sp.2-4, Pseudoaulacosira moiseevae, Coscinodiscus
miocenicus, Tetracyclus chudjakovii, T. ellipticus et forma1 et var. clypeus et var. lance et f. subrostrata et
var. latissimus, T. emarginatus f. japoniformis f. nov. et f. capitatus f. nov, T. japonicus, T. lacustris f. elliptiformis f. nov. et f. rhombica f. nov. et f. lanceformis f. nov. et var. lanceolata, Tetracyclus sp.1 (T. ellipticus
var. clypeus x T. chudjakovii), Tetracyclus sp.2 (T. japonicus x T. ellipticus var. clypeus), Tabellaria celatom
et var. elongata, Fragilaria constricta f. stricta, F. miocenica et var. chankensis f. gracilis, Eunotia desmogoniformis, E. japonica, E. lavrovii, E. majuscula, E. nikolskiae, E. nodulosa, E. obsoleta, E. pectinalis f. antiqua, E.
polyglyphoides, E. spinuligera, E. veneris var. execta f. minor, E. zygodon, E. aff. japonica, Eunotia sp. 2 (E. sudetica var. bidens x E. polyglyphis), E. aff. bigibba, E. aff. sibirica, Desmogonium guanense, Navicula americana
var. delicatula, N. bituminosa, N. citriformis, Pinnularia brevicostata forma, Auricula dubia.
Вымершие и реликтовые формы (49 таксонов) составляют 19,1 %.
Отличительными признаками диатомового комплекса 2 являются:
1) увеличение разнообразия комплексов и увеличение обилия видов;
2) появление Pseudoaulacosira moiseevae, встречающегося в позднемиоценовых отложениях
зпадной Камчатки [14]. В Европе возрастной диапазон этого вида охватывает поздний миоцен–
ранний плиоцен [15];
3) присутствие доминантного вида Aulacosira sp.1 (A. aff. lirata f. seriata) с оценками обилия 1–6;
4) большое разнообразие переходных форм между видами рода Tetracyclus: T. lacustris, T. emarginatus, T. ellipticus, T. chudjakovii, T. japonicus и их вариететами. Этот характерный признак диатомовой флоры отмечался ранее в отложениях в районе озера Двухюрточного в центральной Камчатке,
сформировавшихся в конце позднего миоцена – начале раннего плиоцена, а также на западной Камчатке – в позднем миоцене;
5) присутствие вида Aulacosira canadensis с оценками обилия «единично» – «редко», который
«в массе» встречается в ранне-среднемиоценовых отложениях северной Камчатки, Северной Америки, Японии, Приморья [9] и эоцен-миоценовых отложениях п-ва Тайгонос. Вопрос об инситности этого
вида решить сложно: возможно, в небольших количествах он встречается в более позднее время;
6) увеличение тепловодности: с относительно высокими оценками обилия встречено 7 таксонов
Melosira undulata (1–4), Actinella brasiliensis (1–3), Eunotia japonica (1–3), E. monodon var. tropica (1),
E. aff. japonica (1–2), Desmogonium guanense (1), Cymbella ehrenbergii (1–2);
7) повышение разнообразия (48 таксонов) и содержания (18,7 %) вымерших видов.
168
Вестник Камчатского государственного технического университета
Перечисленные признаки, а также положение в разрезе указывают на раннеплиоценовый возраст
диатомового комплекса 2.
Диатомовый комплекс 3 выделен в интервале 57–41 м из отложений, представленных преимущественно суглинками с линзовидными прослоями торфа.
Наиболее представительны образцы:
№ образцов
Кол-во форм в образцах
Кол-во вымерших
% вымерших
Возраст отложений
3
4
1
2,
33
76
1
1,3
39
55
5
9,1
4
5
1
2
43
10
13
13
4
5
8
1
47
12
11
9
N23
49
93
11
12
5
6
8
1
53
67
8
12
55
51
6
12
57
61
4
6,6
6
6
1
1
65
79
12
15
N22
6
5
6
1
10
10
23
22
N21
Характерные особенности комплекса 3:
1. Из комплекса исчезают древние формы Pseudoaulacosira moiseevae, Tetracyclus ellipticus var. latissimus, T. lacustris f. rhombica f. nov. et f. lanceformis f. nov. et var. lanceolatus, Tetracyclus sp.1,
(T. ellipticus var. clypeus x T. chudjakovii), T. sp.2 (T. japonicus x T. ellipticus var. clypeus) , Tabellaria celatom et var. elongata, Fragilaria constricta f. stricta, Fragilaria miocenica, Eunotia japonica, E. pectinalis f.
antiqua, E. veneris var. execta f. minor, E. aff. miocenica, Navicula bituminosa, N. citriformis.
2. Отмечены новые древние виды Tetracyclus lacustris f. floroformis f. nov. и Eunotia sp.1 ( E. cf.
monodon var. tropica).
Появились новые виды с широким возрастным диапазоном от миоцена до ныне: Pliocenicus costatus, Сocconeis placentula, Diploneis elliptica, Navicula bacilliformis, N. pupula, Pinnularia divergens,
Amphora ovalis, Cymbella gracilis, C. heteropleura var. minor, Gomphonema acuminatum et var. turris, Epithemia sorex, E. turgida, E. zebra var. porcellus, Rhopallodia gibba, Surirella biseriata.
3. Доминирует по прежнему Aulacosira granulata (4–6) – планктонный, относительно тепловодный вид – космополит, субдоминирует Aulacosira distans (1–6), остальные планктонные встречаются
спорадически: Aulacosira granulata var. angustissima (1–4), A. italica (1–6) et tenuissima (1, 4) et var. valida (1–3), A. praedistans (1–6), A. praeislandica (1–6), Aulacosira sp.1 (1–5), Tabellaria fenestrata (1–6).
4. Из бентических наиболее постоянны: Tetracyclus japonicus, T. lacustris et var. capitata et var.
strumosa, Tabellaria flocculosa, T. poretzsckiae, Eunotia desmogoniformis, E. faba, E. fallax, E. flexuosa,
E. monodon, E. parallela, E. pectinalis, E. polyglyphoides, E. polyglyphis, E. praerupta et var. var., E. robusta, E. sibirica, E. sudetica et var. bidens, E. valida, Stauroneis anceps, S. phoenicenteron, Navicula amphibola, Pinnularia acrosphaeria,P. alpina, P. borealis, P. brevicostata, P. lata, P. nobilis, P. viridis et var. var.,
Neidium iridis, Cymbella aspera, C. ehrenbergii, C. turgida, Hantzschia amphioxys . Состав видов характеризует озерно-болотный водоем. Изменение количества и обилия планктонных видов говорит
о неоднократном колебании уровня воды в древнем водоеме.
5. В составе комплекса присутствуют южно-бореальные формы Melosira undulata, Actinella brasiliensis, Eunotia monodon var. tropica, Desmogonium guanense, Stauroneis inflata, Cymbella ehrenbergii.
Наиболее тепловодные комплексы отмечены в образцах 51, 49, 47, 43:
№ образцов
Кол-во таксонов в образцах
Melosira undulata
Actinella brasiliensis
Eunotia monodon v. tropica
Desmogonium guanense
Stauroneis inflata
Cymbella ehrenbergii
Кол-во южно-бореал. форм в образце
39
55
41
54
43
102
1
46
58
47
121
1
49
93
51
62
4
1
1
1
2
1
3
1
3
1
1
3
1
4
3
3
5
3
4
2
6. Для комплекса характерны вымершие и реликтовые формы: Aulacosira praedistans, A. praeislandica, A. similaevis, Aulacosira sp.1, Cyclostephanos aff. omarensis, Tetracyclus japonicus, T. lacustris
f. elliptiformis f. nov. et f. floriformis f. nov., T. emarginatus f. capitatus f. nov., T. sp.2 (T. japonicus x
T. ellipticus var. clypeus), Fragilaria miocenica var. chankensis f. gracilis, Eunotia desmogoniformis, E. lavrovii,
E. majuscula, E. nikolskiae, E. obsoleta, E. polyglyphoides, E. spinuligera, Eunotia sp.1, Desmogonuim guanense.
Богатство диатомовой флоры, большое количество южно-бореальных и вымерших видов сближает диатомовые комплексы 2 и 3. Учитывая его положение в разрезе и результаты споровопыльцевого анализа, предполагаем его время формирования в среднеплиоценовое время.
Диатомовый комплекс 4 выделен в интервале 9–25 м из отложений, представленных слоями суглинков,
супесей, глин и песка мощностью 2–6 м. Распространение диатомовых водорослей по разрезу не стабильно.
169
Проблемы современного естествознания
В образце 36 обнаружен обедненный комплекс пресноводных диатомей – 13 таксонов с оценками обилия «единично» – «часто»: Aulacosira distans, A. italica var. valida, Cyclotella menenghiniana,
Tetracyclus lacustris, Eunotia arcus, E. desmogoniformis, E. praerupta et var. bidens et var. muscicola, Pinnularia lata, P. viridis et var. fallax, Cymbella aspera. В его составе преобладают холодноводные диатомеи, южно-бореальные формы не обнаружены. Изменения в составе флоры свидетельствуют о понижении температуры воды в водоеме и его обмелении.
В образце 33 комплекс восстанавливается, он представлен 76 таксонами. Доминируют планктонные виды: с оценкой обилия «в массе» – Aulacosira granulate, створки которого составляют в препарате 25 %, с оценкой «часто» – Aulacosira distans (8 %), A. italica et var. tenuissima (3 %). Состав диатомей свидетельствует о накоплении осадков в среднеглубоком озерно-болотном водоеме. Южнобореальные и умеренно тепловодные формы, свидетельствующие о периоде потепления, не обнаружены.
Выше по разрезу (образцы 32–27) практически отсутствуют планктонные виды, для развития которых необходима большая толща воды, единичными створками они встречены в образце 30. В нем
же отмечен «единично» южно-бореальный вид Cymbella ehrenbergii и максимальное разнообразие
диатомей (41 таксон), среди которых преобладают с оценкой «нередко» донные виды Navicula semen,
Pinnularia lata, P. viridis var. fallax, оценку «редко» имеют Tetracyclus japonicus, T. lacustris et var. capitatus, Pinnularia stomatophora. Остальные «единичны». Количество вымерших видов значительно
снижается, присутствуют лишь Aulacosira praedistans (3) и Tetracyclus japonicus (2).
Описываемые колебания в соотношении планктонных, донных и южно-бореальных форм отражают частую смену колебания уровня воды и прогревания водоема.
Для диатомового комплекса 4 характерны:
– относительная бедность видового состава;
– преобладание холодноводных форм;
– присутствие незначительного количества вымерших видов.
Это свидетельствует об омоложении диатомовой флоры и относительном похолодании. Полученные выводы согласуются с результатами спорово-пыльцевого анализа и позволяют предположить
позднеплиоценовый возраст диатомового комплекса 4.
Диатомовый комплекс 5 выделен в интервале 29–1 м в отложениях, представленных галькой
с песком. По характеристике флоры он подразделяется на пять уровней.
1. В нижней части интервала (образцы 29–17), в отложениях, представленных гравийно-галечной
смесью с песчаным заполнителем, в образцах 29, 27, 25, 23, 22, 21, 19, 18, 17 встречаются единичные
обломки створок диатомовых водорослей от 1 до 7 таксонов. В образцах присутствуют «единично»
Aulacosira distans, A. italica var. valida, Pinnularia lata, P. borealis, Cymbella aspera – холодноводные виды, Pinnularia viridis et var. fallax – широко распространенные. Такой состав видов характеризует суровые климатические условия периода похолодания. Малочисленность состава диатомей и практически отсутствие планктонных в данном случае можно объяснить быстрым накоплением осадков, когда
органогенные образования не успевали накапливаться, наличием холодных вод, бедных питательными веществами и небольшой глубиной водоема.
2. В следующем интервале (образцы 16–12) состав видов возрастает (14–26 таксонов). Оценки
обилия – в основном «единично»: Aulacosira distans, Tetracyclus japonicus, T. lacustris var. capitata, Tetracyclus sp., Tabellaria fenestrata, Eunotia parallela, E. polyglyphoides, E. praerupta, E. sudetica, Pinnularia
borealis, P. microstauron, P. stomatophora, P. viridis, Gomphonema constrictum, Epithemia zebra var. porcellus, Hantzschia amphioxys. Такой состав характеризует озерно-болотный водоем и суровые климатические условия.
3. В интервале образцов 10–8 комплексы диатомей достаточно богаты, они представлены 125–
105 таксонами. Планктонные виды относительно разнообразны, но оценки обилия их невысоки:
с оценкой «часто» присутствует Aulacosira distans – стенотермный холодноводный вид, развивающийся в латеральной части северных и горных водоемов. С оценками «единично» – «редко» встречены Aulacosira granulata, A. italica et var. tenuissima et var. valida, A. aff. canadensis, A. subarctica, Melosira varians, Pliocenicus costatus [55], Cyclotella antiqua, Tabellaria fenestrata – в основном это
холодноводные виды. Из бентических оценку «часто» имеют Synedra ulna, Navicula mutica, Pinnularia
lata, P. viridis et var. fallax, Didymosphenia geminata, Eunotia praerupta, Gomphonema olivaceum var. minutissima, Hantzschia amphioxys.
Здесь же встречены южно-бореальные виды с оценкой «единично»: Melosira undulata, Stauroneis inflata, Cymbella ehrenbergii и относительно тепловодные Amphora ovalis, Cymbella turgida. Из
вымерших присутствуют также «единично» Tetracyclus japonicus, Aulacosira aff. canadensis. Для
флоры этого интервала характерно присутствие большого количества реофилов из родов Ceratoneis, Synedra, Meridion, Diatoma, Didymosphenia, свидетельствующих о притоке ручьев или про170
Вестник Камчатского государственного технического университета
точности водоема. Состав видов характеризует неглубокий озерно-болотный водоем, возможно,
это была старица.
Диатомовая флора более холодноводная, чем в предыдущие периоды потепления в плиоцене. Изза меньшей глубины водоем быстрее прогревался и на мелководье развивались относительно тепловодные виды, свидетельствующие о межледниковье.
4. В интервале образцов 6–4 фиксируется последующее постепенное похолодание, что подтверждается сокращением количества таксонов (64–32) и снижением их оценок обилия, большим количеством холодноводных и отсутствием южно-бореальных форм. Для флоры этого интервала показателен болотный вид Eunotia praerupta с оценками обилия «в массе» – «редко» (вверх по разрезу).
Присутствуют Synedra ulna («часто» – «редко»), Didymosphenia geminata («часто» – «редко»), Hantzschia amphioxys («редко» – «нередко») – виды, обитающие в холодных проточных водах.
С оценками обилия «редко» – «нередко» отмечена планктонная форма Aulacosira italica.
5. В образце 1, отобранном из слоя песка, комплекс возрастает до 102 таксонов. Доминирует
«в массе» Hantzschia amphioxys – донный вид, развивающийся также во мхах и во влажной земле.
Оценку обилия «очень часто» имеют Aulacosira italica – планктонный вид и Synedra ulna, Navicula
kotzschey, Pinnularia borealis, Gomphonema angustatum var. producta – бентические формы, «нередко» – Diatoma hiemale var. mesodon, Ceratoneis arcus, Eunotia praerupta var. bidens, Didymosphenia
geminata, Gomphonema ventricosum, Epithemia turgida, остальные встречаются реже. Состав видов
характеризует неглубокий водоем с притоком ручьев (возможно, старица). На мелководье развивались южно-бореальные виды Melosira undulata (1), Stauroneis inflata. Их присутствие говорит о
периоде потепления. Таким образом, диатомовый комплекс 5 фиксирует два периода потепления
(образцы 10–8 и 1) и два периода похолодания (образцы 29–12, 6–4).
В следующей таблице приведено сопоставление комплексов диатомей из верхних слоев:
№ образцов
Кол-во таксонов
Кол-во вымерших
% вымерших форм
К-во южно-бореал.форм
Возраст отложений
1
102
2
4
35
-
5
32
-
6
64
-
8
102
1
1
2
10
121
1
0.8
3
Qe
12
14
-
14
27
1
-
15
26
-
16
16
3
-
25
6
-
30
41
1
2.4
1
31 33
16 76
1
1.3
1
N23
36
13
-
39
55
5
9.1
2
N22
Экологическая характеристика диатомовых комплексов (климатические колебания) и положение
в разрезе позволяют предположить, что формирование вмещающих отложений происходило в эоплейстоценовое время. В начальный период эоплейстоцена диатомовые водоросли фиксируют похолодание, что
подтверждается результатами спорово-пыльцевого анализа. Эти выводы совпадают с данными
В.С. Волковой по Западной Сибири [16]. Диатомовая флора скважины № 9 в целом имеет хорошую сохранность, в ее составе установлено 46 родов и 383 вида и внутривидовых таксонов, среди которых по обилию
преобладают представители родов Aulacosira, Tetracyclus, Eunotia, Pinnularia. Около 17 % диатомей к настоящему моменту вымерли. Наиболее характерные представители демонстрируются на фототаблицах.
На основании систематического и экологического анализов, прослеженных по разрезу комплексов, флору диатомей можно охарактеризовать как пресноводную, обитающую в озерном бассейне,
претерпевшем за время существования ряд изменений в физико-химическом и экологическом режимах. Состав комплексов диатомей указывает на неоднократные периоды относительного обмеления
древнего озера и, напротив, сильного его обводнения, на типично пресноводный режим бассейна и на
образование осадков на некоторых глубинах в относительно более холодных условиях. Залегание
пород с остатками диатомей между прослоями торфов свидетельствует также о том, что озерный режим древнего водоема неоднократно сменялся на болотный. Палеоводоем существовал от позднего
миоцена до эоплейстоцена включительно.
Выводы
В результате изучения диатомовых комплексов из позднекайнозойских отложений района выделены пять разновозрастных этапов в развитии диатомовой флоры.
Первый этап – позднемиоценовый. Для него характерено:
– относительно небольшой состав таксонов (29–53);
– распространение планктонного рода Aulacosira, в т. ч. доминирование космополитного вида
Aulacosira granulata;
– присутствие единичных южно-бореальных видов: Desmogonium guanense, Actinella brasiliensis, Eunotia monodon var. tropica с оценкой обилия «единично»;
– присутствие комплекса вымерших и реликтовых видов: Aulacosira praedistans, A. praegranulata, A. praeislandica, A. praeitalica, A. semilaevis, A. aff. canadensis, A. aff. distans, Tabellaria celatom,
171
Проблемы современного естествознания
Fragilaria bicapitata var. lineolata, F. constricta f. stricta, F. miocenica var. chankensis f. gracilis,
F. nitzschioides f. kamchatica, Eunotia desmogoniformis, E. lavrovii, E. majuscula, E. pectinalis f. antiqua,
E. spinuligera, E. veneris var. execta f. minor, Desmogonium guanense, Pinnularia brevicostata forma,
P. pectinalis f. linearis f. nov., Pseudoaulacosira moiseevae, E. nikolskiae, Tetracyclus chudjakovii, T. ellipticus lancea var. lancea f. lancea, T. japonicus, T. sp. (T. lacustris var. strumosa x T. ellipticus), Eunotia obsoleta, E. polyglyphoides, Pinnularia aff. cymbelloides. Количество вымерших и реликтовых форм составляет от 3,8 до19,4 % (среднее значение – 11,6 %).
Второй этап – раннеплиоценовый. Для него характерно:
– увеличение систематического состава флоры до 66–130, 53–79, 65–136 таксонов;
– доминирование планктонных Aulacosira granulata, A. praedistans, A. praegranulata, A. sp.1
(A. aff. lirata f. seriata), Pseudoaulacosira moiseevae Aulacosira distans, Aulacosira sp.1, Tabellaria fenestrata, а также литоральных Tetracyclus lacustris, Eunotia sudetica;
– увеличение разнообразия и обилия южно-бореальных видов: Melosira undulata, Actinella brasiliensis,
Eunotia japonica, E. monodon var. tropica, Desmogonium guanense, Cymbella ehrenbergii, Stauroneis inflata;
– увеличение разнообразия комплекса вымерших и реликтовых видов: Aulacosira canadensis,
A. aff. canadensis, A. praedistans et f. curvata, A. praegranulata, A. praeislandica, A. praeitalica, A. semilaevis, A. aff. praedistans, A. aff. hibshii, Aulacosira sp.1 (A. aff. lirata f. seriata), Aulacosira sp.2-4, Pseudoaulacosira moiseevae, Coscinodiscus miocenicus, Tetracyclus chudjakovii, T. ellipticus et forma1 et var.
clypeus et var. lancea et f. subrostrata et var. latissimus, T. emarginatus f. japoniformis f. nov. et f. capitatus
f. nov., T. japonicus, T. lacustris f. elliptiformis f. nov. et f. rhombica f. nov. et f. lanceformis f. nov. et var.
lanceolata, Tetracyclus sp.1 (T. ellipticus var. clypeus x T. chudjakovii), Tetracyclus sp.2 (T. japonicus x
T. ellipticus var. clypeus), Tabellaria celatom et var. elongata, Fragilaria constricta f. stricta, F. miocenica et
var. chankensis f. gracilis, Eunotia desmogoniformis, E. japonica, E. lavrovii, E. majuscula, E. nikolskiae,
E. nodulosa, E. obsoleta, E. pectinalis f. antiqua, E. polyglyphoides, E. spinuligera, E. veneris var. execta f.
minor, E. zygodon, E. aff. japonica, Eunotia sp. 2 (E. sudetica var. bidens x E. polyglyphis), E. aff. bigibba,
E. aff. sibirica, Desmogonium guanense, Navicula americana var. delicatula, N. bituminosa, N. citriformis,
Pinnularia brevicostata forma, Pinnularia pectinalis f. linearis f. nov., Auricula dubia, а также Fragilaria constricta f. antiqua, Pinnularia krasske, T. lacustris var. elongatus, Achnanthes pliocenica, Pinnularia pseudodivergens. Количество вымерших форм составляет от 2 до 27,8 % (среднее значение – 14,9 %);
– присутствие Pseudoaulacosira moiseevae и Aulacosira sp.1 (A. aff. lirata f. seriata), разнообразие
видов рода Tetracyclus и обилие переходных форм между его видами и вариететами.
Тетий этап – среднеплиоценовый. Для флоры этого этапа характерно:
– снижение разнообразия диатомовой флоры по сравнению с предыдущим этапом (51–102
таксона в скважине № 9);
– доминирование планктонных Aulacosira granulata, A. praedistans, A. sp.1 и литоральных Tetracyclus japonicus, T. lacustris et var. capitatus et var. strumosa, Eunotia robusta, Eunotia sudetica, Stauroneis
phoenicenteron, Pinnularia lata, P. viridis;
– количество южно-бореальных видов снижается, но оценки обилия некоторых из них повышаются, в частности Cymbella ehrenbergii, встречены Melosira undulata, Actinella brasiliensis, Eunotia monodon
var. tropica, Desmogonium guanense, Stauroneis inflata, в скважине № 2 обилен Desmogonium guanense;
– состав вымерших и реликтовых видов сокращается до 6,6–22 % (среднее значение – 14,3 %)
– Aulacosira praedistans, A. praeislandica, A. similaevis, Aulacosira sp., Cyclostephanos aff. omarensis, Tetracyclus japonicus, T. lacustris f. elliptiformis f. nov. et f. floriformis f. nov. , Tetracyclus emarginatus f.
capitatus f. nov., T. sp.2 (T. japonicus x T. ellipticus var. clypeus), Fragilaria miocenica var. chankensis f.
gracilis, Eunotia desmogoniformis, E. lavrovii, E. majuscula, E. nikolskiae, E. obsoleta, E. polyglyphoides,
E. spinuligera, Eunotia sp.1, Desmogonium guanense. В скважине 2, кроме некоторых упомянутых,
встречены Aulacosira praegranulata, A. praedistans f. curvata, Tetracyclus chudjakovii, T. ellipticus, Tabellaria celatom et var. elongata, Auricula dubia, Fragilaria nitzschioides var. kamchatica, Frustulia vulgaris f.
antiqua, они составляют 5,9–13,6 % (среднее значение – 9,8 %);
– обилие Aulacosira sp.1 и видов рода Tetracyclus. Подобная ситуация отмечена во втором этапе.
Четвертый этап – позднеплиоценовый. Для диатомовой флоры характерно:
– обедненный состав комплексов: 1–76, 5–26, 8–33 таксонов (cоответственно);
– доминирование планктонных Aulacosira distans, A. granulata;
– встречаются южно-бореальные виды с оценкой обилия «единично»: Stauroneis inflata, Desmogonium guanense, Cymbella ehrenbergii;
– состав вымерших видов значительно сокращается, в образцах встречены «единично» Aulacosira praedistans, Aulacosira sp.1, Tetracyclus japonicus, Eunotia majuscula, E. polyglyphoides, Desmogonium guanense.
172
Вестник Камчатского государственного технического университета
Пятый этап – эоплейстоценовый:
– выделены два периода похолодания и два потепления; в периоды потепления состав видов
возрастает до 121 таксона, в периоды похолодания значительно снижается до полного исчезновения;
– все таксоны относительно малочисленны, даже в периоды потепления преобладают холодноводные и космополитные виды;
– встречаются южно-бореальные формы с оценкой «единично» в периоды потепления: Melosira undulata, Stauroneis inflata, Cymbella ehrenbergii;
– вымершие виды встречаются спорадически: Aulacosira praegranulata, A. aff. canadensis, Tetracyclus japonicus, T. lacustris forma.
Заключение
Изложенные выше материалы в дальнейшем повысят достоверность проводимых анализов, облегчат работу геологов с биостратиграфическими данными.
Основные результаты работы сводятся к следующему:
1. Впервые на Камчатке прослежены изменения диатомовой флоры при переходе от миоцена
к плиоцену и от плиоцена к эоплейстоцену.
2. Комплексы диатомей из озерных и аллювиально-озерных отложений, вскрытых скважиной № 9
в Пенжинской структурно-формационной зоне, приняты за основу, являются эталонными. Разрез
этой скважины считается опорным.
3. Диатомовая флора скважины № 9 включает 383 вида и внутривидовых таксона олигогалобов.
4. По смене диатомовых комплексов выявлены значительные климатические колебания, которые подтверждаются результатами анализа спорово-пыльцевых спектров.
5. В периоды потеплений значительно возрастает состав комплексов и увеличиваются оценки
обилия видов, появляются южно-бореальные таксоны. Потепления выявлены: два – в раннем плиоцене, одно – в среднем плиоцене и два – в эоплейстоцене.
6. Поздний миоцен характеризуется относительным похолоданием, но менее значительным, чем
в позднем плиоцене и в эоплейстоцене.
7. Характерной чертой ранне-, среднеплиоценовой диатомовой флоры является разнообразие
видов рода Tetracyclus и множество переходных форм между видами.
8. Заметную роль в развитии флоры сыграл планктонный вид Pseudoaulacosira moiseevae, диапазон встречаемости которого расширился до среднего плиоцена.
9. Граница миоцен-плиоцена выделена, в частности, по появлении Pseudoaulacosira moiseevae, а
также с учетом изменений спорово-пыльцевых комплексов.
Таким образом, проведенная работа является важным этапом в изучении диатомовой флоры
Камчатки и послужит основой для дальнейших биостратиграфических исследований.
Литература
1. Решения МСК и объяснительная записка к стратиграфическим схемам. – М., 1988. – 147 с.
2. Шешукова-Порецкая В.С., Моисеева А.И., Короткевич О.С. Диатомовые водоросли // Тр.
БИН. – Л.: Изд-во ЛГУ, 1981. – № 30. – С. 3–102.
3. Пушкарь В.С., Гребенниква Т.А. Миоцен-плиоценовый и плиоцен-плейстоценовый рубежи северо-западной части Тихого океана по данным диатомового анализа // Палеогеографические рубежи
и методы их изучения. – Владивосток, 1984. – С. 20–37.
4. Barron J.A.Lower Miocene to Quaternery diatom biostratigraphy of DSDP. Leg. 57, off Northeastern Japan // Init. Repts. DSDP, 1980. – V. 56–67. – P. 641–686.
5. Barron J.A., Keller G. Paleotemperature oscilaitions in the middle and Late Miocene of the Neotheastern Pacific // Micropaleont. – 1983. – V. 29, № 2. – P.150–181.
6. Гладенков Ю.Б. Морской верхний кайнозой северных районов // Тр. ГИН АН СССР. – 1978. –
Вып. 313. – С. 3–194.
7. Barron J.A., Gladenkov J.B. Early Miocene to pleistocene diatom stratigraphy of Leg 145 // Rea
D.K. Basov I.A. Scholl D.W., Allan J. F. (eds) / Proc. ODP, Sci Results. College Station, TX (Ocean Drilling program), 1995. V.145.
8. Echols R.J. Foraminifera, Leg. 19, DSDP. // Junit. Repts. DSDP. – 1973. – V.19. – P. 721–735.
9. Диатомовые водоросли СССР. Т. II (2). – СПб.: Наука, 1992. – 125 с.
10. Лосева Э.И. Атлас позднеплиоценовых диатомей Прикамья. – Л.: Наука, 1982. – 204 с.
11. Моисеева А.И. Миоценовые пресноводные диатомовые водоросли северо-западных окраин
Донбасса: Палеонтологические исследования для целей стратиграфии // Тр. ВСЕГИИ. – 1980. – № 305.
– С. 106-117.
173
Проблемы современного естествознания
12. Хурсевич Г.К., Логинова Л.П. Ископаемая диатомовая флора Белоруссии. – Минск: Наука и
техника, 1980. – 121 с.
13. Атлас фауны и флоры неогеновых отложений Дальнего Востока. Точилинский опорный
разрез западной Камчатки. – М.: Наука, 1984. – 334 с.
14. Лупикина Е.Г. Новые и интересные диатомовые водоросли из эрмановских отложений западной Камчатки // Новости систематики низших растений. – М.: Наука, 1965. – С.15–22.
15. Хурсевич Г.К. Диатомовые водоросли класса Centropohyceae пресноводных кайнозойских
водоемов Северного полушария: – Автореф. дис. … докт. биол. наук. – Киев, 1992. – 47 c.
16. Волкова В.С. Анализ флоры и климатов на рубежах раннего-позднего плиоцена и эоплейстоцена Западной Сибири // Геология и геофизика. – Новосибирск, 1998. – Т. 39, № 5. – С. 585 –597.
Приложение
Пояснения к таблицам
Таблица I
Фотографии 1–12: скважина 10, глубина 23 м (поздний миоцен);
фотографии 13–63 1 : скважина 9, глубина: 16, 23, 29–31, 53 – 176 м (поздний миоцен); 17, 58 – 112 м;
14 – 111 м; 43, 60 – 106 м; 13, 19, 24, 44, 45, 50, 55, 56, 62 – 105 м; 32–34, 37, 42, 51 – 102 м; 20, 21, 25, 35 – 101 м;
41 – 95 м; 46–48 – 85 м; 26 – 76 м; 18, 36, 38, 61 – 73 м; 28, 59, 63 – 65 м (ранний плиоцен); 22, 27, 39, 40, 54 – 55 м;
52, 57 – 53 м; 49 – 49 м (средний плиоцен).
Представлены экземпляры: 1 – Aulacosira praedistans (Jouse) Sim.; 2–5 – A. granulata (Ehr.) Sim. (2 а, б – при
разных фокусах); 6 – Таbellaria flocculosa (Roth.) Kutz.; 7 – T. poretzkiae Log. et Churs.; 8, 9 – T. celatom Churs.;
10, 11 – Fragilaria miocenica var. chankensis f. gacilis Lupik.; 12 – Eunotia sudetica var. bidens Hust.; 13 – Aulacosira
praeislandica (Jouse) Sim.; 14, 16, 17 – A. distans (Ehr.) Sim.; 15 – A. aff. distans (Ehr.) Sim.; 18–23, 28–30 –
A. granulata (Ehr.) Sim .; 31 – A. granulata var. angustissima (O.Mull.) Sim.; 24 а, б – A. praedistans (Jouse) Sim.;
32 – A. semilaevis (Moiss.) Moiss.; 33–35 – A. italica (Ehr.) Sim.; 36 – A. italica var. tenuissima (Grun.) Sim.; 38 –
A. italica var. valida (Grun.) Sim.; 37 – A. subarctica (O.Mull.) Haworth; 39 – Aulacosira sp.1 (A. aff. lirata var. seriata
(O.Mull.) Haworth); 40–42 – Aulacosira sp.2; 43. A. epidendron (Ehr.) Crawford; 44, 45 – Melosira undulata (Ehr.)
Kutz.; 46, 47 – Pseudoaulacosira moiseevae (Lupik.) Lupik. et Churs.; 48 – Coscinodiscus miocenicus Krasske; 49 –
Cyclostephanos aff. omarensis (Kuptz.) Churs. et Log.; 50–52 – Tabellaria poretzskiae Log. et Churs.; 53–56 –
T. fenestrata (Lyngb.) Kutz.; 58 – T. celatom var. elongata Churs.; 59–61 – Fragilaria miocenica Jouse; 62 –
F. constricta Ehr.; 63 – F. virescens var. elliptica Hust.
Таблица II
Фотографии 1–38: скважина 9; глубина: 3, 9 – 105 м; 1, 2, 13–15, 23, 32, 33, 35–38 – 102 м; 4, 6, 7, 9, 17, 20,
26, 27, 30, 31 – 101 м; 9 – 93 м; 10, 12, 19, 28,29 – 73м; 16, 18 – 65 м (ранний плиоцен); 8, 21, 22, 24 – 49 м; 25 –
41 м (средний плиоцен); 34 – 8 м (эоплейстоцен).
Представлены экземпляры: 1 – Tetracyclus ellipticus Ralfs var. ellipticus; 2–7 – T. ellipticus var. lancea (Ehr.)
Hust. f. lancea; 8, 9, 10 – T. ellipticus var. lancea f. subrostrata Hust.; 11 – T. ellipticus var. latissimus Hust.; 12–15 –
T. ellipticus var. clypeus (Ehr.) Hust.; 16 – T. lacustris Ralfs; 17–19, 21–23 – T. lacustris var. capitatus Hust.; 20 –
T. lacustris var. elongatus Hust.; 24, 25 – T. lacustris Ralfs f. floriformis f. nov.; 26–31 – T. lacustris Ralfs f. elliptiformis f. nov.; 32, 33, 37, 38 – T. ellipticus var. clypeus f. lacustriformis f. nov.; 34–36 – T. chudjakovii Puskar.
Таблица III
Фотографии 1–28: скважина 9; глубина: 13 – 106 м; 4 – 105 м; 7–12, 14, 16–18, 20–28 – 102 м (ранний плиоцен).
Представлены экземпляры: 1, 2 а, б, 3 – Tetracyclus japonicus (Рetit.) Hust.; 4 – Teracyclus sp .1 (T. ellipticus
var. clypeus x T. chudjakovii); 20 – T. ellipticus var. clypeus (Ehr.) Hust.; 5 а, б – Tetracyclus sp.2 ( переходный между T. ellipticus var. clypeus и T. japonicus); 6 – T. emarginatus (Ehr.) W.Sm.; 7–9, 12, 13 – T. emarginatus (Ehr.)
W.Sm. f. capitatus f. nov.; 10, 11, 14–19 – T. emarginatus (Ehr.) W.Sm. f. japoniformis f. nov.; 21–26 – T. lacustris
Ralfs f. emarginatoformis f.nov.; 27, 28 – Tetracyclus sp.3 (переходный между T. emarginatus и T. lacustris).
1
Изображение экземпляра № 48 на фотографии дано с увеличением в 2 000 раз, остальных экземпляров – с увеличением
в 1 000 раз.
174
Вестник Камчатского государственного технического университета
Таблица IV
Фотографии 1–32: скважина 9 (р. Пенжина); глубина: 32 – 145 м (поздний миоцен); 17 – 106 м; 11, 15, 26 –
105 м; 30, 31 – 102 м; 25, 27–29 – 73 м (ранний плиоцен);19–21 – 57 м; 14 –55 м; 12, 16, 18, 22–24 – 53 м;13 –
51 м; 22 – 43 м; 5, 7 – 41 м (средний плиоцен); 1–4 – 33 м (поздний плиоцен); 8, 10 – 10 м; 9 – 8 м; 6 – 1 м (эоплейстоцен).
Представлены экземпляры: 1–4 – Aulacosira granulata (Ehr.) Sim.; 5 – A. praedistans (Jouse) Sim.; 6 – A. italica
var. valida (Grun.) Sim.; 7 – Aulacosira sp.1 (A. aff. lirata var. seriata (O.Mull.) Haworth); 8 – Cyclotella antiqua
W.Sm.; 9 – Pliocaenicus costatus (Lupik.) Flower, Ozornina, Kuzmina; 10 – Tabellaria fenestrata (Lyngb.) Kutz.; 11 а,
б – Actinella brasiliensis Grun.; 12 – Eunotia tauntonensis Hust.; 13 а, б, 14 – E. spinuligera Lupik.; 15 – E. lavrovii
Tscher.; 16, 17 – E. sibirica Cl. f. gracilis f. nov.; 18 – E. monodon var. major (W.Sm.) Hust.; 19–22 – E. monodon var.
tropica Hust.; 23 – E. faba (Ehr.) Grun.; 24–25 – E. robusta Ralfs; 33–34 – E. robusta var. tetradon (Ehr.) Ralfs; 26 –
E. exigua var. bidens Hust.; 27, 28 – E. polydentula Brun.; 29 – E. aff. flexuosa (Breb.) Kutz.; 30 – E. aff. gracilis (Ehr.)
Rabenh.; 31 – E praerupta var. muscicola Boye P.; 32 – Eunotia sp.; 33, 34 – E. robusta var. tetradon (Ehr.) Ralfs.
Таблица V
Фотографии 1–30: скважина 9; глубина: 23 – 112 м; 28 – 11 м; 26 – 106 м; 8, 14, 18 – 105 м; 3, 10–13, 19, 21,
22 – 102 м; 15, 16, 24 – 101 м; 2, 17, 20 – 93 м; 25 – 73 м (ранний плиоцен); 4 – 55 м; 1, 5, 6, 7, 9 – 53 м (поздний
плиоцен); 27 – 1 (эоплейстоцен).
Представлены экземпляры: 1, 25 – Eunotia nodulosa Meist.; 2, 3 – E. sudetica O. Mull.; 5–8 – E. sudetica var.
bidens Hust.; 9 – E. sudetica var. bidens f undulata f. nov.; 10 – E. revoluta A.Cl.; 11–13 – E. veneris var. execta A.Cl.;
14–17 – E. polyglyphoides Sheshuk.; 18, 19 – E. polyglyphis Grun.; 20 – E. japonica Pant.; 21 – E. majuscula Moiss.;
22 – E. obsoleta Moiss.; 23 – Eunotia sp.; 24 – Eunotia sp.2; 26 – Auricula dubia Perag.; 27 – Cymbella aequalis W.Sm.;
28 – Navicula placentula f. rostrata A.Mayer; 29, 30 – Navicula semen Ehr. 31 – Pinnularia microstauron (Ehr.) Cl.; 32 –
P. alpina W.Sm.; 33, 34 – P. gibba Ehr.; 35 – P. acrospharea Breb.; 36 – P. gibba var. mesogongila (Ehr.) Hust.
Таблица VI
Фотографии 1–31: скважина 9; глубина: 9 – 176 м; 3 – 153 м; 4 – 145 м (поздний миоцен); 12, 14, 20, 21, 30
– 111 м; 26 –105 м; 2, 27 – 102 м; 31 – 101 м; 19 – 100 м, 27 – 73 м, 22 – 95 м; 8, 10, 16, 17 – 65 м (ранний плиоцен); 9 – 53 м; 5, 6, 7, 13, 18, 23, 24, 29 – 49 м; 15 – 47 м (средний плиоцен).
Представлены экземпляры: 1, 2 – Pinnularia brevicostata Cl.; 3, 4 – P. brevicostata Cl. f. nov.; 5–8, 17, 18 –
P. nodosa Ehr.; 9, 10 – P. hemiptera (Kutz.) Cl.; 12 – P. interrupta W.Sm.; 13 – Caloneis aff. schumanniana var. rhombica Loss.; 14 – C. clevei Lagerst.; 15 – C. bergii I.Kiss. f. minor f. nov.; 16 – Pinnularia aff. viridis var. fallax Cl.; 19 –
Cymbella leptoceros (Ehr.) Grun.; 20 – C. cistula (Hempr.) Grun.; 21 – C. heteropleura Ehr.; 22 – C. ehrenbergii Kutz.;
26 – C. acuta A.S.; 11, 23 а, б – Gomphonema gracile Ehr.; 25 – G. acuminatum Ehr.; 26 – G. aff. augur Ehr.;
27 – G. augur Ehr. F. capitata f. nov.; 29 – G. constrictum Ehr. ; 30 – Rhopalodia sp.1; 31 – Rhopalodia sp.2.
175
Проблемы современного естествознания
Таблица I
176
Вестник Камчатского государственного технического университета
Таблица II
177
Проблемы современного естествознания
Таблица III
178
Вестник Камчатского государственного технического университета
Таблица IV
179
Проблемы современного естествознания
Таблица V
180
Вестник Камчатского государственного технического университета
Таблица VI
181
Проблемы современного естествознания
УДК 629.1206
НЕКОТОРЫЕ АСПЕКТЫ ИЗМЕНЕНИЯ КЛИМАТА Г. ПЕТРОПАВЛОВСКАКАМЧАТСКОГО ПОД ВЛИЯНИЕМ АНТРОПОГЕННОГО ФАКТОРА
А.В. Букай (КамчатГТУ)
В статье рассмотрена связь географических и антропогенных факторов с целью выявления
климатических особенностей г. Петропавловска-Камчатского, выявлено место антропогенных
факторов в процессе многолетнего изменения климата на территории данного города.
The article covers the matter of geographialc and anthropologenic connections to clarify the climatic features of Petropavlovsk-Kamchatsky to define the place of anthropological factors during the perrenial climate changes on the terrain of this city.
Изучаемая территория г. Петропавловска-Камчатского располагается на юго-востоке камчатского полуострова. Петропавловск-Камчатский является прибрежным городом, так как лежит вдоль
Авачинской бухты. С востока данный населенный пункт подвержен влиянию Тихого океана. С севера
его территория граничит с группой Авачинских вулканов, которые являются частью единой орографической системы Восточный хребет. Рельеф города холмистый, так как располагается на юговосточном понижении этой системы. Наибольшие высоты города достигают 500 м над уровнем моря.
Территорию г. Петропавловска-Камчатского замыкает территория, находящаяся на высоте 1 000–
2 000 м над уровнем моря.
Таким образом, географическое положение г. Петропавловска-Камчатского, являясь одним из
главных климатообразующих факторов, определяет особенности климата на исследуемой территории. Этими особенностями являются:
– особая циркуляционная деятельность, подчиненная орографической системе;
– высокая повторяемость облачных дней и повышенная влажность;
– циклоническая деятельность, последствиями которой являются: штормовые ветры, сильные
снегопады и обильные дожди, резкие перепады давления и температуры;
– преимущественное влияние западного переноса воздушных масс и северных ветров;
– смягченные зимние температуры, обусловленные отепляющим влиянием океана;
– выпадение наибольшего количества осадков на юго-восточных наветренных склонах;
– сниженное количество солнечной радиации, доходящей до земной поверхности.
Метеорологические наблюдения на Камчатке стали регулярно проводиться с 1890 г. В это время
была открыта метеорологическая станция «Петропавловский порт», затем в 1894 г. она была перенесена на мыс Маячный и переименована в «Петропавловский маяк». В 1946 г., неоднократно меняющая свое местоположение и название, была открыта станция «Петропавловск-Камчатский». В настоящее время данные станции существуют и проводят метеорологические наблюдения в районе
г. Петропавловска-Камчатского. Статистические данные, сформированные в ходе наблюдений, проводимых на этих станциях, позволяют вести исследовательскую работу в области особенностей климатических условий г. Петропавловска-Камчатского.
Исследования в области изучаемой проблемы являются единичными и не имеют конкретных
обобщений. Наиболее объемной работой является работа В.Н. Виноградова, Я.Д. Муравьева,
В.И. Кондратюк «Климат Петропавловска-Камчатского в ХIХ-ХХ столетиях», опубликованная
в 1989 г. В данной работе проанализированы метеорологические данные за период 90–95 лет
и имеющаяся на тот момент литература. Учеными была поставлена следующая задача: выявить основные изменения климата г. Петропавловска-Камчатского за вышеуказанный период времени. Антропогенный фактор ими во внимание не брался. Путем выявления линейного тренда они пришли к
выводам, что на территории г. Петропавловска-Камчатского:
– существует цикличность в ходе летней температуры и годового количества осадков. В ходе
летней температуры цикл равен 11 годам в районе станции «Петропавловск-Камчатский», цикл по
осадкам в районе этой же станции составляет 28–30 лет. В ходе сопоставления графиков автокорреляционных функций рядов сумм осадков и средних температур воздуха, сглаженных по 11 годам,
исследователями была выявлена 40-летняя периодичность по обоим элементам на станциях «Петропавловский маяк» и «Петропавловск-Камчатский». Ученые сделали предположение, что цикличность
данных метеорологических элементов связана с многолетней периодической повторяемостью траекторий циклонов в районе г. Петропавловска-Камчатского;
– в отрезке времени с повышенной температурой выпадает большее количество осадков;
– ведущим климатообразующим процессом является циклоническая деятельность;
182
Вестник Камчатского государственного технического университета
– в сезонах существуют колебательные изменения температуры и количества осадков. Отмечаются холодные и теплые зимы. Периоды потепления длятся в среднем 10–12 лет и чередуются
с периодами понижения температуры. В другие сезоны циклы имеют продолжительность от 9 до 13
лет. Колебания в суммах осадков не так ярко выражены, прослеживается лишь за временной отрезок
в 95 лет 20-летний цикл выпадения твердых осадков ниже нормы и 30-летний цикл выпадения твердых осадков выше нормы. Причины данных колебательных явлений учеными не рассматриваются;
– есть тенденция к увеличению количества осадков за год и прослеживается слабое понижение
температуры в течение последних 40–45 лет. Причины данных изменений учеными не рассматриваются.
Таким образом, климат г. Петропавловска-Камчатского имеет ярко выраженный колебательный
характер, с преобладающим влиянием на него циклонической деятельности.
Задача данного исследования заключается в следующем: выяснить, является ли антропогенный фактор определяющим в многолетнем изменении климата города. Антропогенный фактор оказывает влияние
на климат территории города и приводит к изменениям: радиационного баланса в результате прямого выброса тепла, следствием этого является образование острова тепла; скорости ветра за счет положения
строительных сооружений; влажности вследствие радикального изменения свойств подстилающей поверхности; циркуляционных процессов за счет наложения вышеуказанных метеорологических элементов.
В результате анализа связей между географическими и антропогенными факторами, статистических данных метеорологических станций, справок о состоянии загрязнения атмосферного воздуха,
поверхностных и морских вод на территории Камчатскгидромета за последние 10 лет, экономических
статистических данных, приведенных в статистическом сборнике «Камчатка на пороге нового тысячелетия», а также с помощью построения графиков, методов картографирования, системнофункционального метода были сделаны следующие выводы:
1. В результате выбросов в атмосферу продуктов сгорания топлива в антициклональные периоды в
районе центральной магистрали г. Петропавловска-Камчатского формируется остров тепла. Он является
неустойчивым в период циклонической деятельности и имеет разрывы в районах, прилегающих к Авачинской бухте, это связано с прибрежными циркуляционными процессами.
Рис. 1. Карта погоды Дальневосточного региона (14 сентября 2002 г.)
183
Проблемы современного естествознания
Так, после циклональной деятельности на территории г. Петропавловска-Камчатского 14 сентября 2002 г. установился тип погоды, характерный для антициклона (рис. 1), однако разницы в температуре между городской территорией и пригородной не было. Это связано с циркуляционными процессами, которые происходят после деятельности циклона. Выбросы продуктов сгорания топлива
влияют на суточную амплитуду температуры. Проявлением непосредственного влияния дополнительного источника тепла является более длительный период времени повышенных температур, не
характерных для вечернего периода суток. Для территории г. Петропавловска-Камчатского, как уже
отмечалось ранее, характерна активная циклоническая деятельность, которая снижает влияние выбросов в атмосферу продуктов сгорания топлива. Таким образом, тенденция к снижению температуры воздуха за последние двадцать лет осложняется температурным режимом, формируемым в результате антропогенной деятельности.
2. Антропогенный фактор не является определяющим в распределении количества осадков на
территории города. В данном случае влияние западного переноса воздушных масс определяет количество осадков, выпадающих за год.
3. Скорость ветра на территории г. Петропавловска-Камчатского увеличивается за счет меридионального положения города.
4. Все вышеуказанные изменения метеорологических составляющих ведут к изменению циркуляционных процессов на территории города. Особенностью в данном случае является формирование
различных локальных циркуляций.
Таким образом, явно прослеживается следующая закономерность: климат г. ПетропавловскаКамчатского подвержен изменениям в результате антропогенной деятельности, однако в настоящее
время ведущим климатообразующим процессом продолжает являться циклоническая деятельность.
Закономерно существующие изменения климата под воздействием антропогенного влияния являются
лишь сопутствующим фактором и в совокупности с другими ведут к трансформации экосистемы
изучаемой территории, возникновению новых экосистемных связей. Однако в связи с низким экономическим развитием города на протекание процессов, происходящих в экосистеме, затрачивается
гораздо больше времени, чем в больших промышленных городах.
Литература
1. Виноградов В.Н., Муравьев Я.Д., Кондратюк В.И. Климат Петропавловска-Камчатского в
ХIХ–ХХ столетиях // Вопросы географии Камчатки. – 1989. – № 10. – С. 3–17.
2. Камчатка на пороге нового тысячелетия: Статистический сборник. – Петропавловск-Камчатский,
1999. – 321 с.
3. Ландсберг Г.Е. Климат города. – Л.: Гидрометеоиздат, 1983. – 247 с.
4. Справка о состоянии загрязнения атмосферного воздуха, поверхностных и морских вод на
территории Камчатскгидромета за 1993–2002 гг.
УДК 556.5.043
ПУТИ ОПТИМИЗАЦИИ ВИДИМОЙ СРЕДЫ В ГОРОДСКИХ УСЛОВИЯХ
Л.М. Илюшкина (КамчатГТУ)
В работе предложено дополнить традиционную оценку комфортности городской среды
изучением пространственно-визуальных и архитектурно-предметных аспектов. Проведено районирование территории Петропавловска-Камчатского по показателям: дизайн, благоприятность визуальной среды, экологическое качество, возможности рекреации.
The work offers to extend the traditional value of urban comfort set by means of analyzing the spetially visual and architectural aspects. The geographical devision of Petropavlovsk-Kamchatsky area is
made under the following points: design, quality of visual surronndings, ecological quality and opportunity of recreation.
Традиционное градостроительство, основываясь на своих канонах и нормативах, ушло очень далеко от реальных физиологических, социально-психологических и других потребностей человека. На
исходе второго тысячелетия приходит осознание того простого факта, что в условиях стремительного
развития коммуникационных систем и нарастающей межкультурной и межрасовой интеграции успех
предпринимаемого зависит, как ни странно, от внимания человека к своему «a dwelling place» (месту
184
Вестник Камчатского государственного технического университета
обитания) в том смысле, в котором о нем говорил М. Хайдеггер в своей интерпретации афоризма Гераклита: «Место пребывания (обычное) есть человеку открытый простор для присутствия Бога (чрезвычайного)» [1]. Одна из примет такого осознания – стремление и мощное развертывание практики
дизайна, сопровождаемое ростом интереса к нему как со стороны теоретиков, так и со стороны дизайнеров. Однако приходится признать, что до сих пор дизайн как социокультурный феномен остается недооцененным и непроясненным [2].
Дизайн городской среды участвует в формировании инновационных качеств материального окружения, влияя на психику, здоровье и сознание людей. Проектная организация «средовой» деятельности человека, в т. ч. и на эмоциональном уровне, подразумевает преобразование значения предметного окружения из функционально-прагматического в эмоциально-коммуникативный. Именно для
средового дизайна чрезвычайно важно знание общих закономерностей взаимосвязи человека
и среды его жизнедеятельности. Рассмотрение комфортности городской среды фактически ограничивается изучением ее качества, мало изученным компонентом остается пространственно-визуальная и
архитектурно-предметная среда города. Вопрос обеспечения необходимого уровня пространственной
эстетико-психологической среды становится одной из важнейших задач экологии человека. Средовой
дизайн по своей природе и целям психологически ориентирован. Его методы
и средства направлены на проектное осмысление и модельное обеспечение позитивного состояния
и продуктивного поведения человека [3].
Изменение состояния и поведения горожанина зависит от характера его воздействия с предметно-пространственными структурами различных сред. Различие и обустройство этих сред неизбежно
по-разному влияет на психику в целом, на восприятие, понимание пространства и ситуации, принятие
решений, поведение и т. д. Визуальный образ города обладает свойством воздействия на эмоциональный
мир человека, причем воздействие может быть как положительным, так и отрицательным. Негативные
психологические явления, возникающие у человека в условиях постоянного пребывания в городском окружении (астенический синдром города – синдром неврастении), требуют не только учитывать их возможные последствия, но и избавляться от них. Благотворность психологического климата среды всегда
ассоциируется с комфортом. Отрицательное влияние на эстетико-психологическое восприятие населения
оказывает полная нехудожественность, заброшенность старых домов – ветхого фонда (с учетом того, что
процесс разрушения шлакоблочных и бетонных домов, строительный мусор засоряет не только видимое
пространство городской среды, но и почву, воздух и т. д.)
Разные части города различаются по градоэкологическим и социальным параметрам. Исследованиями доказано, что различия в качестве жилья влияют на нравственно-психологический климат
данной части города. Ареалы концентрации негативных явлений совпадают с районами, отличающимися худшими показателями качества среды. А состояние пространственно-визуальной и архитектурно-предметной среды города является важнейшей составляющей наряду с экологической составляющей – комфортностью городской среды, так как оказывает сильное воздействие на здоровье и
жизнедеятельность, ритм жизни населения.
Состояние пространственно-визуальной и архитектурно-предметной среды г. ПетропавловскаКамчатского постоянно ухудшается, несмотря на всю эстетическую привлекательность природных
ландшафтов. Одна из проблем – это отсутствие городского дизайна, занимающегося проектированием
предметного пространства. Городская застройка на 80 % соответствует требованиям Постановления
ЦК КПСС «Об устранении излишеств в проектировании и строительстве», вышедшего в ноябре 1955 г.
Известно, что при длительном пребывании человека в видимой среде, бедной зрительными элементами, наступает нарушение движений глаз, ухудшается самочувствие и возникает ощущение дискомфорта. Следовательно, постоянное видимое поле, его насыщенность зрительными элементами
оказывают воздействие на состояние человека, т. е. действуют, как любой другой экологический фактор, наряду с загрязнением воды и воздуха, повышенным шумом и радиацией. Многие архитекторы
справедливо указывают, что состояние наших городов катастрофично, что «пора возродить, воссоздать нормальную, естественную жизнь убогим поселениям, которые зовутся городами» [4].
При исследовании визуальной среды г. Петропавловска-Камчатского приходим к выводу: люди, ответственные за формирование благоприятной визуальной среды, приумножают вредную для человека среду и
безвкусицу. Примером этого является однообразное оформление фасадов пластиком и стеклопанелями.
Нами было проведено районирование территории города сначала по отдельным показателям
(благоприятность визуальной среды, экологическое качество, возможности рекреации), а затем путем
синтеза всех вышеназванных показателей составлена карта комфортности городской среды. Подобные исследования доказывают существование причинно-следственных связей между жизнедеятельностью и здоровьем человека и степенью комфортности среды того района, в котором он проводит
большую часть времени.
185
Проблемы современного естествознания
Природа находится в полном соответствии с законами зрительного восприятия. И до сих пор, пока человек заимствовал элементы у природы, не было проблем видеоэкологии. Все проблемы возникли с появлением технократического подхода к формированию городской среды. Нам легче, чем кому
бы то ни было, достичь гармонии с природой, ведь территории на душу населения у нас больше, чем
в любой другой стране [5].
О благотворном влиянии естественной видимой среды на самочувствие человека красноречиво
писал еще Н.И. Карамзин: «Ныне ввечеру чувствовал я в душе своей великую тягость и скуку; каждая мысль, которая приходила в голову, давила мозг мой; мне неловко было ни стоять, ни ходить.
Я пошел в Бастион, здешние гульбища, лег на углу вала и дал глазам своим волю перебегать от предмета к предмету. Мало-помалу голова моя облегчилась вместе с моим сердцем» [6].
Много написано о благотворном влиянии прогулок в лесу, по берегу моря, хотя эффект такого действия чаще всего приписывается только свежему воздуху. Мы же считаем, что не меньшее значение имеет и комфортная видимая среда. Если бы только свежий воздух оказывал благотворное влияние, то полярники и моряки не испытывали бы дискомфорта, ведь чистого воздуха у них предостаточно.
Литература
1. Хайдеггер М. Время и бытие: Статьи и выступления. – М.: Республика, 1993. – 447 с.
2. Лола Г.Н. Дизайн. Опыт метафизической транскрипции. – М.: Изд-во МГУ, 1998. – 264 с.
3. Бондорин В.Г. Эмотектоника как дизайн-метод эстетической организации среды. – СПб.,
1994. – 286 с.
4. Глазычев В.Л. Поэтика городской среды// Эстетическая выразительность города. – М.: Наука,
1986. – С. 130–157.
5. Филин В.А. Видеоэкология. – М.: МЦ «Видеоэкология», 2001. – 312 с.
6. Карамзин Н.И. Письма русского путешественника. – М.: Недра, 1957. – 520 с.
УДК 537.6
СОВРЕМЕННОЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ
ОЧИСТКИ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ СТОКОВ
Л.В.Кучеренко, С.Д. Угрюмова, Н.Ю. Мороз,
О.Г. Воробьева, (Дальрыбвтуз, г. Владивосток)
Загрязнение окружающей среды происходит при любом внесении в экосистему компонентов, нарушающих процесс круговорота или обмена веществ. Опыт природопользования во всем мире показывает, что уменьшить экологический ущерб можно на основе прогрессивных инженерно-технических
методов: создания очистных сооружений, бессточных технологических процессов, утилизации отходов в качестве вторичных материальных ресурсов. В статье рассмотрены возможности использования магнитного поля в процессе очистки производственных стоков.
Environmental pollution occurs during entering the components into ecosystem, breaking process
of circulation or a metabolism. Experience of wildlife management all over the world shows that it is possible to
reduce ecological damage on the basis of progressive nonproduction methods: creations of clearing constructions, unsewer technological processes, recycling of waste products as secondary material resources.
In clause{article} opportunities of use of a magnetic field are considered during clearing the industrial drains.
Загрязнение окружающей среды происходит при любом внесении в экосистему компонентов, нарушающих процесс круговорота или обмена веществ. Опыт природопользования во всем мире показывает,
что уменьшить экологический ущерб можно на основе прогрессивных инженерно-технических методов:
создания очистных сооружений, бессточных технологических процессов, утилизации отходов в качестве
вторичных материальных ресурсов. С позиции В.И. Вернадского, на данном этапе эволюции биосферы
развитие пойдет по пути разумного регулирования взаимоотношений человека и природы.
Задачей специалистов с точки зрения экологии является оптимизация технологических решений,
исходя из минимизации ущерба окружающей среде. Одной из сфер экологизации промышленности
является совершенствование технологий с целью эффективного использования энергии, утилизации
вторичного сырья. Смена технологий требует определенных затрат, что удорожает производство, но
часто это через определенное время окупается.
Пренебрежение экологическими требованиями ради быстрой экономической выгоды приводит к тяжелым последствиям для людей и, в конечном итоге, к невосполнимым экономическим потерям. Из числа
186
Вестник Камчатского государственного технического университета
загрязнителей, поступающих в океанские воды в больших объемах, наиболее токсичными являются нефть
и нефтепродукты. Ежегодно в Мировой океан попадает до 15 млн т нефти, каждая тонна которой покрывает 12 км2 водной поверхности, что приводит к гибели оплодотворенной икры, личинок и молоди рыбы.
Из-за нарушения процесса фотосинтеза происходит изменение газообмена между водой и атмосферой.
Основная часть загрязнений поступает не в открытое море, а в прибрежные воды, где нерестится, растет
и вылавливается около 90 % рыбы, потребляемой человеком. Загрязнение морских вод губительно
сказывается на фитопланктоне, служащем первым звеном пищевой цепи морских животных. Загрязнение водоемов приводит к сокращению нерестовых площадей и ареала обитания рыб, ухудшению
состояния кормовой базы, нарушению миграционных путей рыб.
Особое внимание уделяется специальным методам обработки стоков, позволяющим извлекать и утилизировать ценные компоненты. Современные технические решения включают целый комплекс методов
и разнообразных способов их реализации. Рациональным подходом является использование для осаждения загрязняющих ингредиентов вместо дорогостоящих синтетических веществ природных ископаемых
(уголь, глина, бишофит, цеолит), а также специфических отходов производства (опилки, рисовая шелуха,
чешуя рыб). Выбор наиболее оптимального комплекса методов очистки определяется физикохимическими показателями и технологическими особенностями образования производственных стоков.
Особая роль в промышленных стоках отводится нефти. Разлитая в море нефть распространяется по поверхности морской воды в виде пленки, толщина и форма которой зависят от состава нефти, действия ветра,
волн. Небольшое количество обычной сырой нефти в аналогичных условиях быстро распространится на
поверхности воды в виде тончайших радужных бликов, состоящих из пленки толщиной не более 0,3 мкм.
Такому распространению способствуют поверхностно-активные вещества, содержащиеся в сырой нефти.
Изменения в составе нефти происходят и в результате растворения некоторых фракций в морской воде.
Отмечается, что растворенная фракция нефтяных углеводородов в поверхностном микрослое занимает
61 % от общего их содержания. Причем концентрация растворенных нефтяных углеводородов
в поверхностном микрослое в 1 800 раз выше, чем в подповерхностном однометровом слое.
Предполагается, что в процессе миграции нефтяных углеводородов и поверхностного микрослоя
в атмосферу в большей мере задействована растворенная форма, тогда как взвешенная форма углеводородов нефти впоследствии участвует в образовании нефтяных агрегатов. Нефть, оставшаяся после выветривания легких фракций и растворения части компонентов в воде, подвергается дальнейшему окислению. Катализаторами этого процесса служат минеральные соли, содержащиеся
в морской воде, солнечная радиация и деятельность микроорганизмов. Известно свыше 100 видов
морских бактерий, способных окислять углеводороды нефтяного происхождения. В воде, хорошо
насыщенной кислородом, при температуре 20–30 °С микроорганизмы могут окислять нефть со скоростью до 2 г на 1 м2 водной поверхности в день. Для того чтобы максимально увеличить микробиологическое воздействие моря, нефть, сбрасываемая за борт, должна быть диспергирована.
В настоящее время нет какого-либо одного метода, способного давать точную количественную
оценку нефтяного загрязнения морских вод. Лишь комплекс методов помогает решить эту задачу.
Для проведения эффективных природоохранных мероприятий по очистке производственных стоков
необходимы комплексные экономические, экологические, технические, технологические, гидрологические и другие исследования.
Нами рассмотрены возможности использования магнитного поля в процессе очистки. Магнитная
восприимчивость, характеризующая магнитные свойства веществ, очень мала у всех диамагнитных и
большой группы парамагнитных веществ. Вода и многие органические соединения являются типичными представителями диамагнитных веществ.
Механизм процесса магнитной обработки воды в целом в настоящее время нельзя признать изученным. В большей степени это связано с плохой воспроизводимостью результатов магнитной обработки, которая в лабораторных исследованиях достигает 30 %. Объективным подтверждением изменения ряда свойств у омагниченной воды являются технологические эффекты, используемые
в различных отраслях промышленности. Для интенсификации процесса всплывания сферических частиц масло- и нефтепродуктов использованы магнитные свойства. Преимуществами способов, использующих энергию электромагнитного поля, являются: компактность конструкции, высокая эффективность,
универсальность, чистота выделенных веществ, возможность автоматизации управления процессом.
Применение установок, использующих энергию электромагнитного поля, является прогрессивным направлением в технологии очистки. Это позволяет эффективно и более экономично, по сравнению с другими установками, требующими строительства громоздких очистных сооружений, занимающих значительные производственные площади, решать проблемы защиты окружающей среды.
Особый интерес также представляют цеолиты – кристаллические тонкопористые алюмосиликатные адсорбенты. Их каркасы являются открытыми структурами, в которых отдельные звенья распо187
Проблемы современного естествознания
ложены менее плотно, чем у других алюмосиликатов. Другой характерной особенностью цеолитов
является наличие у них системы регулярных каналов и сообщающихся полостей, которые значительно увеличивают их поверхность по сравнению с другими алюмосиликатами. В природе цеолиты
представлены минералами: шабазитом, гмелинитом, ливинитом, фожазитом, морденитом и др. Среди
них наиболее эффективными поглотителями, имеющими большую адсорбционную емкость, являются цеолиты группы шабазита и фожазита. В природных условиях цеолиты обычно загрязнены другими минералами, что затрудняет их использование в качестве селективных адсорбентов.
Сточные воды, содержащие нефтепродукты в виде мазута, смазочных и изоляционных масел, керосина, бензина и т. д. образуются при эксплуатации и ремонте мазутного хозяйства, за счет утечек из маслосистем, при аварийных упусках и ремонтных работах, при утечках охлаждающей воды из насосов. Количество и степень загрязнения стоков зависят от мощности предприятия и вида используемого топлива.
Учитывая значение предельно допустимой концентрации ПДК 0,05 мг/л для нефтепродуктов,
очистка стоков до концентраций, позволяющих сбрасывать их в водоемы, экономически невыгодна.
Целесообразно очищать нефтесодержащие стоки до концентраций, позволяющих использовать их в
технологическом цикле предприятия. На современных предприятиях должны предусматриваться
также и локальные очистные установки с использованием различных способов очистки. Механическую очистку обычно проводят в нефтеловушках, отстойниках, фильтрах, гидроциклонах и сепараторах. При наличии в сточных водах крупных минеральных частиц применяют решетки и песколовки.
На крупных предприятиях объем стоков составляет свыше 1 000 м /сут. На мелких, весьма многочисленных, от 5 до 1 000 м /сут. Особенностью предприятий, осуществляющих перевалку нефтепродуктов, является отсутствие возможностей для создания полного оборотного цикла, в связи с чем сбор
сточных вод в окружающую среду является неизбежным. В то же время нормативная документация
постоянно идет по пути ужесточения требований к качеству очистки сточных вод.
Нами экспериментально исследовались процессы фильтрации при очистке нефтесодержащих
сточных вод. Установлено, что применение двухслойных фильтров для очистки сточных вод, содержащих масляные примеси и склеивающие вещества, нецелесообразно, поскольку при промывке
фильтров неизбежен вынос легких фракций.
Интенсивность промывки двухслойных фильтров для очистки сточных вод составляет
15–16 л/(с•м), продолжительность промывки – 8–10 мин. Для загрузки фильтров с восходящим потоком воды используют кварцевый песок, однако можно использовать и другие фильтрующие материалы, например доменный шлак. Загрязняющие вещества, содержащиеся в сточных водах, например
масла, нефть, смолистые вещества, целлюлоза, лигнин и т. д., способны оказывать влияние на механизм процесса фильтрации через зернистую загрузку и изменять структуру отложений в порах, что
должно быть учтено при выборе конструктивных и технологических параметров фильтров: типа и
крупности зерен загрузки, высоты ее слоя, направления фильтрационного потока, условий регенерации и загрузки, методов обработки промывной водой и др.
Полноту и тонкость фильтрования, а также гидравлическую характеристику фильтра определяли на
полноразмерном гидравлическом стенде. Первоначально оценивали номинальную пропускную способность фильтра при минимальном перепаде давления и гидравлическую характеристику при прокачивании
чистого нефтепродукта через фильтр, затем полноту, номинальную и абсолютную тонкость фильтрования, для чего применяли раствор, в который предварительно вводился искусственный загрязнитель. При
этом применяли те же методики, что и при определении свойств фильтрующих материалов.
Стойкость конструкционных материалов к действию нефтепродукта выполняли, осматривая внутренние поверхности корпуса и фильтрующие элементы и проверяя физико-механические показатели
фильтрующих и прокладочных материалов. Одновременно проводили гранулометрический и спектральный анализ загрязнений, содержащихся в отфильтрованном стоке.
Работоспособность фильтра при действии внешних факторов исследована в специальных климатических, холодильных и термических камерах и при испытании в различных климатических зонах
и разных погодных условиях. Чтобы определить воздействие вибрации и тряски, использовали вибрационные и ударные стенды. Стабильность фильтра к действию климатических факторов и механических нагрузок определяли, повторно проверяя его герметичность, номинальную пропускную способность и номинальную тонкость фильтрования.
Чтобы предварительно выяснить срок службы вновь разработанного фильтра, моделировали условия его работы при испытаниях на стенде. В фильтруемую среду при этом вводили искусственные
или естественные загрязнители в количествах, соответствующих ожидаемой средней концентрации
загрязнений в стоке в условиях эксплуатации фильтров данного типа. При испытаниях фиксировали
количество очищенного масла, число замен или промывок фильтрующих элементов, число ремонтов
фильтра. Эффективность использования фильтра характеризуется затратами на очистку определенно188
Вестник Камчатского государственного технического университета
го количества сточной воды при необходимой степени надежности фильтра, но отсутствует научно
обоснованная система критерев, позволяющая оценивать надежность фильтров.
Сложность явлений, наблюдаемых при движении потока через фильтрующий материал, и зависимость его от большого числа разнообразных факторов не дают возможности решить уравнения,
описывающие этот процесс, в аналитическом виде. Однако анализ процесса фильтрования показывает, что его эффективность зависит от гидродинамического режима движущегося потока и сил давления и инерции в нем.
Для очистки сточных вод использовались фильтры с нисходящим (сверху вниз) и с восходящим
(снизу вверх) потоками, по схеме прямоточно-противоточного движения. Предлагаемая нами прямоточно-противоточная схема включения трехступенчатых объемных фильтрующих колонн в общую
схему очистных сооружений позволяет снизить содержание нефти до 5–7 мг/л при скорости фильтрации на последней ступени 4–6,5 м/ч.
В результате проведенных исследований установлена взаимосвязь концентрации нефти в воде и
времени работы фильтра до регенерации. Ресурс эффективной очистки стоков на фильтре без регенерации составил 70 ч, при содержании нефти 40–50 мг/л. При значительном уменьшении содержания
нефти в стоке до 11–12 мг/л ресурс работы фильтра увеличился до 180 ч. При содержании нефти менее 5 мг/л изменения работоспособности фильтров практически не наблюдалось. С учетом результатов лабораторных испытаний можно предположить, что использование объемных пористых фильтров в качестве трехступенчатой тонкой очистки стоков с содержанием нефти 11,8–12 мг/л при
перепаде давлений на насосе не более 0,07 МПа позволит обеспечить требуемую степень очистки воды (для оборотного водоснабжения) и достаточно большой ресурс работы в количестве не менее 500
часов. Нами также была разработана конструкция и изготовлен электрофлотатор с горизонтальными
угольно-железными электродами. На основании результатов исследований была разработана технологическая схема по локальной очистке нефте- и жиросодержащих стоков.
Технология очистки включала четыре основные стадии: очистка от механических примесей; разделение раствора по плотности в гидродинамическом потоке вращения; электрофлотационная очистка до 5–10 мг/л; из электрофлотационной камеры стоки направлялись на угольный фильтр для доочистки (степень очистки 0,28–0,30 мг/л). Исследования зависимости концентрации нефтепродуктов
в эмульсиях, подвергнутых обработке в магнитной камере, показали, что на всех исследуемых объектах воздействие неоднородного магнитного поля приводило к разделению водонефтяных эмульсий
с уменьшением концентрации нефтепродуктов до 10 мг/л.
Результаты изучения процесса нагревания водонефтяных эмульсий без воздействия магнитного
поля и подвергнутых воздействию неоднородного магнитного поля показали, что при воздействии
неоднородного магнитного поля процесс выделения нефтепродуктов из эмульсий происходил быстрее, чем при нагревании без поля. Математическая постановка и решение задач оптимизации процессов очистки промышленных стоков, проведенных нами, включали в себя основные этапы: подготовку
статистических и экономических данных для статистической обработки; построение математических
моделей процессов с определением коэффициента корреляции функций и основных технологических
и конструктивных параметров; формирование функции – критерия оптимальности; математический
анализ целевой функции; выбор методов поиска глобального экстремума функции; составление программы расчета и реализации решения задачи на ЭВМ.
При создании систем очистки производственных стоков задачи статической и динамической оптимизации решались одновременно. В результате решения задач оптимального проектирования, поставленных
на основе технологического критерия оптимальности ( как относительно расхода материалов реагентов,
так и воды), определялись оптимальные значения конструктивных и технологических параметров, установок и сооружений при минимальном значении приведенных затрат. По экстремальным значениям критерия оптимальности стало возможным определить соответствующие ему наиболее выгодные в технологическом и экономическом плане значения управляющих параметров.
С целью уменьшения антропогенных нагрузок на гидросферу и рационального использования
биоресурсов развитие промышленности Дальнего Востока должно происходить с использованием
современных ресурсосберегающих технологий переработки сырья, эффективных и экологичных методов эксплуатации технических средств.
Среди множества экологических проблем Приморского края наиболее острой является проблема
чистоты водного бассейна и количества и качества питьевой воды. На фоне ухудшающегося качества
воды и органолептических показателей свежевыловленных морепродуктов формируется множество
проблем, связанных в единый эколого-социально-экономический комплекс.
Экологическое благополучие, повышение качественных показателей жизненного уровня людей,
экологически адаптированная экономика, обеспечение охраны окружающей среды могут быть дос189
Проблемы современного естествознания
тигнуты решением первоочередных задач,среди которых важное значение имеет задача предотвращения загрязнений и очистка производственных стоков. Наиболее неблагоприятная обстановка по
качеству сбрасываемых сточных вод сложилась в местах скопления судов, в портах, на предприятиях
по переработке морепродуктов и судоремонта.
Нами проведен анализ источников загрязнений морской среды нефтесодержащими производственными сточными водами. Разработана методика ускоренного спектрального анализа сточных вод
на содержание нефтепродуктов. Экспериментальными исследованиями доказано,что ни один из известных способов очистки не позволяет осуществить очистку сточных вод до требуемых нормативов,
теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность создания комплексных
технологических схем, использующих действие силовых полей и природных адсорбентов. Показаны
пути оптимизации технологических процессов, позволяющих повысить эффективность работы технических устройств.
УДК 355.75
ОСОБЕННОСТИ ОСНОВНЫХ МЕТОДОВ
ПРАГМАТИЧЕСКОЙ ОЦЕНКИ СЕМАНТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ
А.С. Снегур (КамчатГТУ)
В любой системе обучения, в т. ч. в системе обучения специалистов на тренажерных средствах, контроль уровней знаний обучаемых на всех этапах играет огромную учебную, воспитательную и организующую роль. В настоящей статье представлены особенности основных методов прагматической оценки семантической информации на основании модельных форм
представления знаний и умений, применяемых в современной дидактике.
In any system of training, including the training specialists on the simulators, the control of trainees, knowledge on all steps has the great teaching, educational and organizing role. The article includes
the particulars of the main methods of pragmatic value of semantic information on the basis of models,
showing the knowledge, used in the modern didactics.
Введение
Современный процесс обучения характеризуется объективным и глобальным противоречием:
объем знаний, которые необходимо передать следующему поколению, стремительно растет, а способность человека усваивать новые знания остается неизменной.
Вышесказанное позволяет утверждать, что в настоящее время назрела необходимость кардинального повышения эффективности обучения за счет каких-то дополнительных резервов. Таким резервом, в частности, может являться внедрение в практику процесса подготовки специалистов флота
новых информационных технологий (НИТ): всевозможных автоматизированных обучающих систем
(АОС), автоматизированных обучающих курсов (АОК), автоматизированных обучающих занятий
(АОЗ), тренажерных адаптивных систем (ТАС). В настоящее время в вузах степень использования
средств электронной вычислительной техники в образовательном процессе становится одним из основных показателей при оценке деятельности профессорско-преподавательского состава (ППС). При
этом, согласно опросу, проведенному среди преподавателей вузов, была выявлена негативная тенденция отказа от проведения занятий при помощи АОК и тренажерных систем, поскольку большинство этих систем были построены без учета положений дидактической науки и обладали низкой дидактической эффективностью. Результатом использования подобных систем были недовольны как
преподаватели, так и обучающиеся. Одной из немаловажных причин, повлиявших на формирование
отрицательного мнения ППС в отношении использования АОС и АОК в повседневной практике подготовки специалистов флота, явилось отсутствие в их составе дидактически корректного механизма
оценки знаний перед тренажерной подготовкой и по результатам проведенного занятия. Последнее
очень существенно влияет на общее время цикла подготовки (особенно в условиях групповой подготовки) и тем самым на эффективность обучения в целом.
В связи с вышеизложенным возникает потребность повысить эффективность процесса тренажерной подготовки специалистов флота за счет сокращения времени оценки уровня их теоретической
готовности для выполнения практических действий. А это предполагается возможным при разработке корректного, с точки зрения дидактики, алгоритма автоматизированной оценки степени усвоения
теоретического материала, а также методики его применения, что поможет повысить эффективность
процесса тренажерной подготовки в целом. Для решения этой проблемы является необходимым про190
Вестник Камчатского государственного технического университета
анализировать модельные формы, применяемые в современной дидактике для представления содержания обучения и основные методы прагматической оценки семантической информации.
1. Роль и место тренажерных систем в подготовке специалистов флота в вузах
Система практического обучения специалистов флота на тренажерных средствах предусматривает реализацию педагогических закономерностей целенаправленного воздействия на обучаемых и экипажи судов в
целях формирования у них высоких моральных качеств, мастерства (знаний, умений, навыков), развития их
умственных и физических сил, всего того, что необходимо для поддержания технической готовности судна.
Систему подготовки специалистов флота на тренажерных средствах целесообразно рассматривать как часть
общей системы подготовки специалистов флота, действующей в настоящее время и состоящей из системы
обучения специалистов в вузах и системы обучения специалистов на флоте.
Из педагогики известно, что определяющими элементами любой системы обучения являются обучающие (преподаватели) и обучаемые, при непосредственном взаимодействии которых осуществляется
учебно-воспитательный процесс. Также известно, что, рассматривая систему подготовки специалистов
флота в педагогическом плане, можно выделить три педагогических уровня:
– первый (общий) уровень, характеризующий деятельность органов управления, планирования,
обеспечения и обучающих в соответствии с теоретическими положениями педагогики;
– второй (частный) уровень, характеризующий деятельность обучающего (преподавателя) по
преподаванию конкретного предмета (учебной дисциплины), которая определяется методикой преподавания предмета;
– третий (единичный) уровень, характеризующий деятельность обучаемого по усвоению суммы уровней знания и выработке качеств согласно всем учебным программам, которая определяется методикой учения.
Рассматривая аналогичным способом систему подготовки специалистов флота на тренажерных
средствах в педагогическом плане, которая будет организовываться и функционировать в соответствии с теоретическими положениями педагогики и психологии, опираясь на достижения гуманитарных и технических наук, можно сделать вывод, что система подготовки специалистов флота на тренажерных средствах, деятельность обучающего (преподавателя) по обучению на тренажерах
в соответствии с методикой преподавания предмета и деятельность обучаемых в соответствии с методикой учения последовательно отражает общее, частное и единичное как педагогические уровни
деятельности. Тогда систему обучения специалистов флота на тренажерных средствах структурно
можно представить в виде трех основных элементов (педагогики, методики преподавания предмета,
методики учения) и охарактеризовать как замкнутую и целостную.
При рассмотрении структуры методики преподавания предмета в системе обучения специалистов флота на тренажерных средствах необходимо исходить из того, что методика преподавания
предмета является отраслью педагогики и исследует все основные элементы в объеме, соответствующем конкретному предмету, т. е. методика преподавания предмета состоит из тех же элементов,
что и педагогика, только тесно увязанных с конкретным предметом.
Всякая деятельность человека представляет собой процесс, который начинается с постановки цели и задач. Цель и задачи обучения специалистов флота на тренажерах разрабатываются в соответствии с требованиями к морским кадрам, основными из которых являются: высокая профессиональная
подготовка; высокая дисциплинированность и исполнительность; инициатива и самостоятельность;
организаторские способности.
Исходя из указанных требований и запросов флота, можно сформулировать общую цель обучения специалистов флота на тренажерах – подготовить специалистов флота необходимой квалификации. Общепризнанными задачами обучения на тренажерах являются [1]:
– профессиональный отбор специалистов;
– формирование специалистов высокой квалификации и дальнейшее совершенствование их
мастерства;
– формирование коллектива специалистов-операторов для их совместной деятельности.
Цель и задачи обучения на тренажерах конкретного специалиста определяются на основе требований флота и указываются в требованиях к профессиональной подготовленности специалиста, изложенные в государственном образовательном стандарте высшего профессионального образования
по каждой конкретной специальности. Следует сказать следующее: несмотря на то что и цель и задачи обучения на тренажерах сформулированы как наиболее общие, однако она не являются конечными и могут быть дополнены или уточнены вследствие дальнейшего расширения и внедрения тренажерных средств на флоте и в вузах.
Очевидно, что обучение специалистов флота на тренажерных средствах не может не основываться на принципах обучения и учения, разработанных педагогикой. Известно, что принципы обучения
191
Проблемы современного естествознания
сформировались исторически и отражают познанные закономерные связи, отношения и рекомендуют
управлять процессом обучения. Как уже отмечалось, принципы обучения (дидактические принципы)
разработаны советской общей педагогикой. Основные из них, обеспечивающие обучение морского
специалиста на тренажерных средствах, следующие:
1. Принцип систематичности и последовательности указывает на необходимость обучения
в четко разработанной методической системе. Поэтапность формирования уровней знания у обучаемого должна обеспечивать движение от незнания к знанию, от простого к сложному. Систематичность в обучении на тренажерах должна исключать большие интервалы в обучении, которые могут
приводить к значительным «угасаниям» умений и навыков. Последовательность в обучении на тренажерах предполагает разделение операций на отдельные элементы и предварительное обучение
этим элементам в строгой логической последовательности.
2. Принцип обучать тому, что необходимо для профессиональной деятельности на море указывает на единство и неразрывность теории и практики в системе формирования заданных уровней,
знаний и качеств. В современных условиях подготовка специалиста флота любого уровня опирается
в основном на практической опыт морской службы.
3. Принцип единства конкретного и абстрактного (наглядность) устанавливает необходимость
взаимосвязи изучения реальных факторов, явлений, предметов и их свойств, признаков с отвлеченными
понятиями, представлениями, их теоретическими обобщениями на основе выделения существенного, основного, общего. Наглядность в обучении является средством связи теории с практикой. Сам факт применения обучения на тренажерах является выполнением требований наглядности.
4. Принцип доступности лежит в основе определения объема и сложности учебного материала,
выбора форм обучения и их методов, способов, приемов построения организационной системы обучения данному предмету, определения средств обучения и материально-технической базы.
При разработке рабочей программы и, главное, содержания вопросов, выносимых на занятия,
этот принцип является определяющим. Если на занятия выносится учебный материал с избытком, то
он не перерабатывается в уровни знания, не усваивается в отведенное на его изучение время и тормозит процесс обучения. Недостача учебного материала может вызвать расслабление в работе, представление о легкости предмета, его недооценку.
5. Принцип прочности формирования уровней знания в тесной связи с принципом научности,
систематичности, последовательности и наглядности обеспечивает не только формирование заданных уровней знаний, их прочность и устойчивость, но и умение осуществлять перенос этих знаний в другие области науки, выполнять работы в новых условиях. Важную роль в выполнении этого
принципа в системе обучения на тренажерных средствах играет организация систематического контроля уровней знания, который интенсифицирует процесс обучения, нацеливает обучаемых на систематическое повторение отрабатываемых действий. Этот принцип обеспечивает прочность умений,
навыков, быстрое и правильное их воспроизведение.
6. Принцип соединения индивидуального и коллективного обьединяет в учебном процессе интересы всех обучаемых и каждого в отдельности на основе общих и частных задач обучения и учения.
В системе обучения на тренажерных средствах этот принцип реализуется применением комплексных
тренажеров, которые предназначаются для совместной подготовки обучаемых специалистов, образующих судовое подразделение (расчет). Но здесь комплексная подготовка должна сочетаться с индивидуальным подходом к каждому обучаемому. Для того чтобы избавить расчет от совершаемых
ошибок, надо знать, какой именно член этого расчета виноват в том, что поставленная задача не решена и в чем именно заключается его ошибка.
7. Принцип оптимального использования учебного временим тесным образом связан с принципом
доступности и указывает на взаимозависимость содержания организации и методики обучения в условиях жестко установленного бюджета времени. Обучение конкретного специалиста флота на тренажерных средствах осуществляется в течение заданного срока. За этот период должны быть сформированы заданные умения и навыки. Обучение специалиста флота в жестко установленном бюджете
времени зависит от содержания и организации обучения на тренажерных средствах и методики учебного процесса. Если содержание, организация и методика могут изменяться по объему, количеству
и качеству работ, то время остается неизменным. Стремление увеличить или уменьшить содержание
без значительного улучшения организации и, главное, методики учебного процесса не улучшает,
а ухудшает качество обучения специалиста флота на тренажерных средствах.
Дидактические принципы в полной мере используются как на уровне всей системы обучения
специалиста флота, так и на уровне преподавания конкретного предмета. Степень соблюдения того
или иного принципа зависит от организации обучения, методики преподавания данного предмета,
средств обучения, материально-технической базы, подготовки преподавателя и других факторов.
192
Вестник Камчатского государственного технического университета
Процесс подготовки специалистов флота на тренажерах имеет большой арсенал форм и методов
обучения, разработанных педагогикой. Любой метод дает эффективные результаты лишь тогда, когда при его применении учитываются: закономерности овладения уровнями знания, способы поддержания внимания, развития творческого мышления, активизации практической работы обучаемых.
В любой системе обучения, в т. ч. и в системе обучения специалистов флота на тренажерных
средствах, контроль уровней знания обучаемых играет огромную учебную, воспитательную и организующую роль. Невозможно добиться высоких учебно-воспитательных результатов без систематического контроля уровней знаний обучаемых в течение всего учебного процесса.
В обучении на тренажерах контроль должен обеспечивать решение следующих задач:
– определение уровня теоретической готовности обучаемого к практическому этапу подготовки на тренажерных средствах (входной контроль);
– определение уровня сформированности навыков и психофизиологического состояния обучаемого в процессе тренажа;
– регистрация и воспроизведение обстановки, необходимой обучаемым, и их действий в процессе выполнения упражнения;
– предъявление обучаемому и руководителю обучения результатов контроля.
В системе подготовки специалистов флота на тренажерных средствах разрабатывается подсистема контроля результатов обучения специалиста за весь период тренажерной подготовки. Входной
контроль имеет целью определить исходный уровень усвоения соответствующей информации на
предыдущем этапе обучения, наличие у обучаемых исходных компонентов деятельности (знаний,
навыков), его индивидуальные особенности, а также степень готовности к формированию необходимых навыков. Диагностировать исходное состояние обучаемых можно опосредственно через систему
заданий – тестов либо путем работы на тренажере в определенных режимах.
Текущий контроль обеспечивает:
– знание промежуточных состояний обучаемых, т. е. наличие у них необходимых знаний, умений, навыков в ходе обучения на тренажере;
– контроль психофизиологического состояния (напряженности) обучаемых и хода процесса
приобретения навыков.
Контроль, осуществляемый по результатам анализа лишь исходного и конечного состояния обучаемого, легко приводит к закреплению неверных или нерациональных навыков, не позволяет формировать оптимальную структуру психической деятельности обучаемых. Благодаря промежуточному
контролю легко определить требуемое количество тренировок и их продолжительность.
Конечная натренированность обучаемых определяется сопоставлением характеристик их деятельности и эталонными показателями или математической моделью [2], а также по интегральным
показателям, включающим в себя совокупность параметров управляемого процесса. Результирующий контроль по конечному показателю хотя и уступает по своей эффективности текущему контролю, однако позволяет оценить достигнутый уровень тренированности обучаемых при решении поставленной задачи. При обучении на тренажерах контроль может осуществляться руководителем
обучения (инструкторский контроль) и инструментально (в т. ч. и с использованием ЭВМ) [2].
Инструкторский контроль осуществляется в основном визуально (непосредственно или дистанционно) и обеспечивает оперативность и немедленную выдачу обучаемому информации о допущенной им ошибке с рекомендациями и показом в случае необходимости способов ее устранения.
Инструментальный контроль действий обучаемых осуществляется автоматически по заданной
программе в процессе всей тренировки [2]. Он обеспечивает руководителя обучения и обучаемых
обьективными данными, позволяющими проводить анализ, оценку и прогнозирование деятельности
обучаемых и психофизиологическое состояние на каждом этапе обучения, осуществляет документирование, запись, воспроизведение и разбор действий обучаемых.
Очевидно, что на педагогическом уровне преподавания предмета организационно должны быть
четко определены виды контроля, их последовательность, сроки контроля, объем и содержание контролируемого материала. В системе обучения специалистов флота на тренажерных средствах из всего
многообразия вышеописанных видов контроля выбираются те, которые должны обеспечить поэтапное, последовательное и систематическое определение качества овладения умениями и навыками по
данной дисциплине.
Таким образом, под повышением эффективности процесса тренажерной подготовки подразумевается повышение эффективности деятельности педагога. Для этого необходимо определить те операции, которые совершает обучающий в ходе своей деятельности в цикле подготовки специалистов
флота. С этой целью строится обобщенная алгоритмизированная процедура деятельности обучающего (рис. 1). Данная процедура строится на основе анализа основных положений дидактики, а также на
193
Проблемы современного естествознания
основе методики эргономического проектирования обобщенного структурного метода формализации
процессов функционирования антропотехнических (человеко-машинных или эргатических) систем,
описанной в работах [3, 4]. При ее построении были использованы типовые операции, реализуемые
в ходе познавательной деятельности и определенные в работе [5].
Применяемые в вузах виды занятий (лекции, семинары и т. д.) подразумевают групповую форму
обучения, т. е. преподавателю приходится работать в группе в среднем от 20 до 70 человек. При таком режиме работы обучающему приходится строить свою деятельность из расчета «среднего» обучаемого в группе, что, в свою очередь, снижает эффективность обучения, поскольку вносит определенную погрешность (применительно к конкретным обучаемым, составляющим учебную группу)
в формирование процедур, составляющих его деятельность в цикле обучения. На рис. 1 это блоки
с 1 по 10 и 12, 13. Процедуры, описываемые блоками 11 и 14, не могут быть сформулированы из расчета «среднего обучаемого», поскольку это процедуры контроля или оценивания уровня знания. Они
должны, так или иначе, формироваться для каждого отдельного обучаемого, входящего в учебную
группу. А раз так, преподавателю придется тратить на формирование и реализацию данных процедур
весьма значительное время, количество которого будет напрямую зависеть от количества обучаемых
в группе и, соответственно, будет составлять весьма значительную часть общего времени цикла обучения. Следовательно, на основании основных положений дидактики относительно эффективности
подготовки специалистов флота можно сделать вывод о том, что сокращение времени, затрачиваемого преподавателем на диагностику обучаемых в цикле подготовки, приведет к сокращению времени
данного цикла и высвобождению дополнительного времени на непосредственный тренаж, и, следовательно, к повышению эффективности подготовки специалистов флота в целом.
В результате проведенного на основе имеющихся в современной педагогической литературе
взглядов и концепций анализа процесса тренажерной подготовки специалистов флота необходимо
сделать следующие выводы:
1. Процесс тренажерной подготовки необходимо рассматривать как систему, элементами которой
в самом общем виде являются обучающий и обучаемый.
2. Следовательно, при изучении процессов, протекающих в рамках системы тренажерной подготовки, правомерно применять системный анализ как общенаучный инструмент, позволяющий выявить те слабые места (элементы) объекта исследования, улучшение функционирования которых может привести к повышению эффективности функционирования системы в целом.
3. Под общей целью системы тренажерной подготовки понимается достижение заданных заранее
изменений в личности обучаемого (достижение им определенной заранее степени обученности).
4. Процесс квантификации цели осуществляется специалистами в области применения разрабатываемой системы и продолжается в идеале до тех пор, пока на нижнем уровне полученного многоуровневого иерархического «дерева целей» не окажется полный неизбыточный набор измеримых целей. Таким образом, исходя из вышеприведенного утверждения, можно сделать вывод о том, что
процесс формирования «дерева целей» зависит от степени детализации проблемы, для разрешения
которой проектируется система, а также от уровня квалификации специалистов, участвующих в этом
процессе, т. е. в данном процессе определенную роль играет субъективная составляющая.
5. При определении эффективности тренажерной подготовки в качестве оцениваемого объекта
принимается кооперативная деятельность, а не индивидуальная деятельность обучающего и обучаемого. Однако, поскольку в соответствии с положениями дидактики деятельность обучаемого
является активной, т. е. определяющей весь процесс подготовки, именно в деятельности обучающего необходимо искать «резервы» для повышения эффективности всего процесса тренажерной подготовки в целом.
6. Применение средств ВТ для развития учебно-материальной базы, в интересах подготовки специалистов флота обусловлено стремлением разработчиков НИТ в обучении индивидуализировать
если не весь процесс, то хотя бы некоторые процедуры обучающей деятельности. Такое стремление
особенно оправдано при автоматизации процедур диагностики, поскольку при достаточно большом
количестве обучаемых в группе. Они являются наиболее затратными.
Таким образом, для проведения непосредственной оценки уровня знаний, умений и навыков в системе обучения специалистов флота на тренажерных средствах используются разнообразные виды и методы
контроля. Грамотное их сочетание в процессе обучения на тренажерных средствах позволяет значительно
повысить эффективность обучения, т. е. ускорить процесс формирования и совершенствования умений и
навыков у обучаемых, что очень важно в рамках ограниченного бюджета учебного времени.
В настоящее время уже разработано и внедрено в образовательный процесс вузов страны, в широком спектре кафедр и дисциплин, достаточно большое количество программных обучающих ком194
Вестник Камчатского государственного технического университета
плексов и тренажерных адаптивных систем (ТАС). И их число с каждым годом неуклонно растет.
Однако качество разработанных на сегодняшний день АОС, их возможности в обеспечении необходимой эффективности обучения вызывает у большинства преподавателей высшей школы некоторые
сомнения. Так, например, согласно опросу преподавателей военных вузов г. Санкт-Петербурга (был
опрошен ППС более 60-ти кафедр), проведенному в рамках исследования профессора А.Н. Печникова [5], было установлено, что в учебном процессе регулярно используется не более 14 % разработанных ТАС. Отсутствие в составе ТАС корректных алгоритмов контроля степени усвоения обучаемыми
пройденного теоретического материала существенно снижают дидактическую эффективность применения ТАС в целом.
ТРЕНАЖЕРНАЯ ПОДГОТОВКА
15. Решение о допуске на
тренажер
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ
ПОДГОТОВКА
1.
14. Диагностика качества
усвоения УО1
Формирование текущей фактической
модели M фi
(
)
2. Анализ соответствия текущей фактической (M фi ) и
13. Выдача обучаемому
учебной задачи на
УО1 (решение задачи
отображения УО1)
прогнозируемой (M ni ) моделей
3. Оценка эффективности предыдущего обучающего воздействия (Bi ) и дидактической стратегии ( ДСi )
4. Формулировка дидактической ситуации
( ДСi )
12. Выдача обучаемому
фрагмента обучающей
информации об УО1
(решение задачи
отображения
УО1)
5. Формулировка целей последующег
о обучающего воздействия Bi +1
6. Подтверждение предыдущей ДСОi или формирование
новой ДСОi +1 стратегии обучения
7. Определение вида обучающего воздействия
11. Учебная задача
Bi +1
Bni
и его трудоемкости как УО i +1
8. Определение способа реализации обучающего
воздействия
Bi +1
(приема, способа обучения)
9. Формирование текущей прогнозируемой
M ni +1 модели обучения
10. Формирование УО1
для его предъявления
обучаемому
(
)
Рис. 1. Обобщенная алгоритмизированная процедура деятельности обучаемого в цикле обучения
195
Проблемы современного естествознания
2. Модельные формы представления знаний и умений, применяемые в дидактике
Процесс тренажерной подготовки специалистов флота можно рассматривать как систему. Особенность данной системы заключается в том, что все ее связи являются информационными связями.
Педагогическое общение, oсуществляемое обучающим и обучаемым в процессе обучения посредством использования соответствующих технических средств, является тем физическим каналом, по которому происходит обмен информацией между элементами системы.
В результате объединения обучающего и обучаемого в систему оба эти элемента вступают во
вполне определенные отношения и между ними устанавливаются устойчивые связи. Причем первичными признаками целостности системы, которая рождается в результате подобного взаимодействия,
будут заранее определенные цели изучения учебного объекта (УО), а также его объем и структура
содержания. В современной педагогической литературе имеются следующие понятия, определяющие
компоненты содержания обучения: учебный элемент (УЭ), а также УО.
Поэтому под термином УЭ в работе [5] предлагается понимать «информационный продукт,
представляющий собой отображение логически завершенного элемента содержания программы обучения в соответствии с целями его изучения» [5, стр. 43], а под термином УО «информационный продукт, отображающий те стороны структуры или функционирования УЭ, на которые направлено конкретное обучающее воздействие» [5, с. 43].
Из приведенных выше определений становится понятным, что УО есть представление УЭ 4
в конкретной дидактической ситуации. И в рамках настоящего рассмотрения проблемы это очень
важно, поскольку оценивание качества знания обучаемого происходит, как правило, по результатам
определенного дидактического воздействия ТАС.
Итак, на основе приведенных выше утверждений можно сделать вывод о том, что под оцениваемым (контролируемым) объектом будет пониматься УО, представленный в виде определенной
имитационной модели.
Процесс создания имитационной модели включает анализ исследуемой проблемы, выделение
из нее путем абстракции ее существенных черт, выбор и модификацию основных предположений,
формулировку исходного вида модели, а затем ее отработку и совершенствование до тех пор, пока
она не станет давать полезные для практической деятельности результаты.
В самом общем виде имитационная модель любой системы может быть представлена выражением:
Μ = Φ (x j , y j ),
(1)
где М – результат действия системы;
xj – управляемые переменные;
yj – неуправляемые переменные и параметры.
В основе всей системы предпочтений дидактики применительно к эффективности обучения лежит понятие качества усвоения содержания обучения.
Усвоенное обучаемым содержание обучения выступает в качестве продукта учебной деятельности и, как продукт любой деятельности, является тем объектом, измерение свойств которого определяет результативность этой деятельности. Выше были определены понятия УЭ и УО. На основании
анализа этих определений можно сделать вывод о том, что УО является тем дидактическим объектом,
измерение определенных параметров которого обеспечивает оценку качества усвоения содержания
обучения обучаемым. Приступая к анализу целей изучения УО, необходимо прежде всего определить
уровень абстракции данного анализа, потому что в конечном итоге именно он определяет уровень
абстракции разрабатываемой модели. При моделировании, как известно, необходимо отбросить несущественные характеристики исследуемого объекта и абстрагировать из реальной ситуации только
те особенности, которые воссоздают необходимый исследователю вариант реальности. В нашем случае уровень абстракции разрабатываемой модели УО определяется уровнем абстракции самой дидактики как области науки.
Дидактика рассматривает содержание обучения и как сформулированную в терминах изучаемой предметной области (учебной дисциплины) цель обучения, и как объект усвоения. При этом под усвоением понимается «процесс и результат превращения содержания образования (учебного материала) в достояние и
качество личности обучаемого» [6, с. 59], а под учебным материалом – «отрезок предметного содержания
образования, представляющий совокупность видов деятельности, подлежащих усвоению» [6, с. 58].
Поскольку настоящий анализ содержания обучения производится на абстрактно-обобщенном
уровне дидактики, то выработанные требования к модельным формам представления обоих основных
видов УО (знания, умения) не должны зависеть от предметной области их применения, т. е. должны
быть инвариантны к предметной области, в которой реализуется конкретный вид модели УО.
196
Вестник Камчатского государственного технического университета
В целях выявления основных требований к двум вышеупомянутым моделям УО (знания, умения)
необходимо уточнить ряд положений теории систем, теории моделирования и теории информации в
отношении знаний и умений как специфических, идеальных объектов моделирования.
В соответствии с введенным определением УО как логически завершенного объекта, имеющего
определенные структурные, функциональные и субстратные свойства, соответствующая модель УЭ
должна быть представлена в виде системы, состоящей из ряда имеющих системоопределенные функции элементов и обладающей определенными интегративными свойствами.
УО, как следует из определения, является информационным продуктом. Следовательно, элементы, составляющие структуру УО, а также взаимосвязи между этими элементами будут являться информационными элементами (ИЭ) и информационными взаимосвязями, а сам УО – информационной системой (ИС).
На основании приведенных выше утверждений, а также положений системотехники и теории
информации введем определение ИС: под информационной системой (ИС) здесь и далее будем понимать систему, в роли элементов которой либо в роли взаимосвязей между этими элементами выступает информация.
На основании приведенного выше определения можно сделать вывод о том, что ИС, как и другие
системы, обладают некоторой структурой. Структура для ИС – суть связи между ее элементами.
Наиболее общей количественной характеристикой структуры системы является уровень сложности (сложность) системы. Он тем больше, чем больше элементов в системе, чем больше системоопределенных связей между этими элементами и чем больше в системе уровней иерархии элементов,
входящих в ее состав.
Для УО уровень сложности может быть оценен как при помощи модели (чем больше элементов и
связей входит в состав модели, тем сложнее данный УО), так и по времени, необходимому для усвоения
обучаемым и данного УО или затрачиваемому преподавателем на контроль усвоения данного УО.
Как указывалось выше, основной целью анализа данных дидактики в отношении эффективности
обучения является трансформация или преобразование формы дидактических знаний в соответствии
с формальными требованиями теории эффективности систем. Иными словами, дидактические знания,
сформулированные на естественном языке методом эвристического сжатия, должны быть отражены
методом модельного сжатия на основе формальной языковой знаковой системы. В соответствии
с целью формализации дидактических знаний можно сформулировать понятие моделей знаний и
умений как двух основных видов УО:
«Под термином логико-смысловая модель учебного элемента (ЛСМ УЭ) будем понимать совокупность понятий (терминов) предметной области, используемых для описания УЭ; логической структуры
УЭ, образованной путем установления системоопределенных связей между соответствующими понятиями; условий и закономерностей образования и существования УЭ как целостного обьекта.
Под термином функциональная модель учебного элемента (ФМ УО) будем понимать основанную на знании ЛСМ УО совокупность методов, приемов и способов использования знаний об интегративных качествах УЭ для достижении определенных целей изменения внешней среды под влиянием УО или изменения УО под определенным влиянием внешней среды» [5].
Итак, ЛСМ знания является семантическая (понятийная) структура, образованная путем установления определенной системы взаимосвязей между ИЭ (понятиями), ее составляющими.
Данную модель можно, таким образом, представить в виде графа:
G = (Q, R),
(2)
где Q – множество вершин, отражающих понятия и выступающих, соответственно, в качестве ИЭ
{q1 ,q2 ,...qm }, где m ∈ (1,+∞ ) ;
R – множество ребер, отражающих системоопределенные взаимосвязи между этими понятиями
{r1 ,r2 ,...rn } , где n ∈ (1,+∞ ) .
Определенный выше граф можно, в свою очередь, задать при помощи матриц:
а) ИЭ:
q11
q12
q13
q1i
ΑИЭ = q21 q22 q23 q2i ,
−
−
−
−
q j1
q j2
q j3
q ji
где i – номер ИЭ соответствующего уровня иерархии графовой модели, i ∈ (1,+∞ ) ;
j – номер уровня иерархии, j ∈ (1,+∞ ) .
б) Взаимосвязи между этими ИЭ:
197
(3)
Проблемы современного естествознания
ΑR =
r11
r12
r13
r1i
r21
−
r22
−
r23
−
r2 i ,
−
rj1
rj 2
rj 3
r ji
(4)
где i – номер ИЭ соответствующего уровня иерархии графовой модели, i ∈ (1,+∞ ) ;
j – номер уровня иерархии, j ∈ (1,+∞ ) .
ФМ знания есть логико-смысловая структура, отображающая причинно-следственный характер
процесса установления определенных отношений между информационными элементами, составляющими ЛСМ знания. Или, иначе, ФМ знания является логико-смысловой структурой процедуры
обоснования ЛСМ знания. Она формируется путем использования интегративных свойств, характеристик и признаков исходных понятий как связей для формирования и обоснования понятий и отношений, используемых в ЛСМ знания.
Данную модель можно, таким образом, представить в виде графа, аналогичного графу (2), где
Q – множество вершин, отражающих понятия, используемые для логического обоснования понятий
ЛСМ и выступающих, собственно, в качестве ИЭ данной модели {q1 ,q2 ,...qm }, где m ∈ (2 ,+∞ ) ;
R– множество ребер, отражающее интегративные свойства и признаки понятий, являющихся ИЭ ФМ
знания {r1 ,r2 ,...rn } , где n ∈ (1,+∞ ) . Определенный выше граф можно, в свою очередь, задать при помощи матриц, аналогичных матрицам 3 и 4.
На основе анализа приведенных выше положений современной дидактики в отношении понятий
умений и навыков, а также данных теории моделирования и теории информации становится возможным сформулировать определения ЛСМ и ФМ умения.
ЛСМ умения есть логико-смысловая структура решения родовой задачи, определяющая причинноследственные взаимосвязи возможных преобразований предмета задачи в соответствии с ее требованиями.
Данную модель можно, таким образом, представить в виде графа вида (2), где Q – множество
вершин, отражающих формальные отношения между понятиями, составляющими ЛСМ соответствующего знания и выступающих, соответственно, в качестве ИЭ данной модели {q1 ,q2 ,...qm }, где
m ∈ (2 ,+∞ ) ; R – множество ребер, отражающее интегративные свойства и признаки ИЭ ЛСМ умения,
которые обеспечивают их объединение, разделение и преобразование в соответствии с требованиями
задачи {r1 ,r2 ,...rn } , где n ∈ (1,+∞ ) . Определенный выше граф можно, в свою очередь, задать при помощи матриц, аналогичных матрицам 3 и 4.
ФМ умения есть определяемая на основе ЛСМ умения алгоритмизированная последовательность
операций (процедура) преобразования предмета задачи в соответствии с ее требованиями.
Таким образом, мы имеем дело с линейной структурой модели. Следовательно, графы вида (3 и 4)
вырождаются в два вектора q и r , которые будут отражать соответственно операнды и операторы модели и которые можно описать в виде вектор-строк:
q = (q1 ,q2 ,q3 ,...qi ) ,
r = (r1 ,r2 ,r3 ,...ri ) ,
где q – операнд ФМ умения;
r– оператор ФМ умения;
i– номер операнда или оператора ФМ умения, i ∈ (1,+∞ ) .
Сформулированные выше понятия ЛСМ и ФМ УЭ, с точки зрения решаемых в статье задач, могут быть использованы для исследования процесса обучения.
В соответствии с выводами, сформулированными выше в рамках данного раздела, в основе как
оценки, так и диагностики процессов преобразования информации в системе обучения должна лежать
модель оценки количества семантической информации в том виде УО, который подвергается анализу
(из определения следует, что УО является логически завершенным информационным продуктом).
В основе любой модели УО лежит определенная логико-смысловая структура. Начало разработки модели расчета количества семантической информации, содержащейся в этой логико-смысловой
структуре, как меры ее объективной сложности, связано с решением двух взаимосвязанных вопросов:
какую форму представления принять для отображения логико-смысловой структуры; какую единицу
избрать для измерения полученной логико-смысловой структуры.
Для ответа на эти вопросы необходимо провести краткий анализ работ, посвященных проблеме
оценки или измерения семантической информации.
198
Вестник Камчатского государственного технического университета
3. Анализ существующих методик измерения семантической информации
На основании анализа работ, посвященных проблеме измерения и оценки семантической информации [7–15], можно сделать следующий вывод. Поскольку моделируемый нами информационный
объект (УО) будет отображаться и преобразовываться в сознании обучающего и обучаемого, то и методики оценки семантической информации, которые могут быть использованы для моделирования
данного объекта, должны оценивать данную информацию применительно к мыслительным процессам, происходящим в мозге человека, а не с точки зрения передачи информации.
Определенному выше условию отвечают методики, предложенные В.П. Мизенцевым [11, 12],
Л.П. Леонтьевым [9] и Н.М. Соломатиным [13].
В конце раздела 2 были определены два вопроса, на которые необходимо ответить для того, чтобы создать модель, адекватно отражающую логико-смысловую модель УО.
Первый вопрос есть, прежде всего, вопрос выбора в качестве основы для разработки модели многомерного плана содержания или одномерного плана выражения УО. Принятие многомерного плана
содержания в качестве основы для разработки модели УО требует реализации эвристической процедуры разработки его структуры, поскольку в любой из форм представления семантической информации (текстовая, аудио, видео и т. д.) УО всегда представлен в одномерном плане выражения. Однако
в результате этой процедуры будет создана модель, инвариантная в отношении любого плана выражения, что значительно облегчает анализ адекватности моделей и расчет содержащейся в них семантической информации. Такой подход для оценки объективной сложности информации использовали
В.П. Мизенцев [11, 12] и Л.П. Леонтьев [9]. Логическим следствием принятия многомерного плана
содержания как основы разработки модели УО является графовая форма отображения логикосмысловой структуры УО. Поскольку при контрольном ответе обучаемого, содержащего какую-либо
из модельных форм представления содержания обучения (ЛСМ и ФМ знания, ЛСМ и ФМ умения),
происходит анализ отсутствия соответствия представляемой модели и эталонной, т. е. происходит
анализ именно содержания УО, что является наиболее приемлемым [9, 11, 12]. Суть вышеупомянутых методик заключается в следующем.
Эвристический подход к формированию модели УО в виде графа определяет относительную сложность определения единицы семантической информации в такой модели. Остановимся на общем подходе к разработке такой модели. В основе этого подхода лежит представление любого УО в виде смысловой системы, включающей информационные звенья трехкомпонентной, познавательной задачи.
В соответствии с работой [16, с. 92–98] усвоение обучаемым любого УО можно представить
в виде решения познавательной задачи, включающей следующие компоненты: начальное состояние
(НС), конечное состояние (КС) и процедуру (Пр), переводящую УЭ из НС в КС. Исходным состоянием предмета познавательной задачи является НС. Требуемым же состоянием предмета познавательной задачи является не достижение КС, а такое описание превращении НС в КС, в котором соответствующая процедура прописана полно и точно. Именно логическая структура данной процедуры
и представляется в виде связного избыточного графа, не содержащего циклов, т. е. «дерева».
В зависимости от вида УО (ЛСМ и ФМ знания, ЛСМ и ФМ умения), в качестве вершин и дуг
графовой модели могут выступать различные понятия или же отношения между ними.
Рассмотрим отличия в подходах к оценке семантической информации, предложенные в работах
В.П. Мизенцева [11, 12] и Л.П. Леонтьева [9]. В основе обеих методик лежат сформулированные
в предметной области теории систем идеи А.И. Уемова, в соответствии с которыми информационная
мера сложности графовой модели определяется длиной (количеством) дуг графа как отношений между его элементами (вершинами) и конфигурацией графовой модели, определяемой показателем относительной энтропии как мерой неопределенности системы.
Принципиальное различие между методиками В.П. Мизенцева [11, 12] и Л.П. Леонтьева [9] заключается в том, что в работе [9] допускается представление УО в виде нуль-графа и наличие в модели
промежуточных вершин, имеющих только одну нисходящую связь, а в работах [10, 11] исключается
возможность построения такого рода моделей. В работе [5, с. 243], на основе анализа целого ряда моделей УО обосновывается правомерность подхода В.П. Мизенцева с точки зрения положений дидактики.
После того как нами были рассмотрены принципы формирования графовых моделей УО, обратимся к методике В.П. Мизенцева, позволяющей оценивать количество семантической информации,
содержащихся в этих моделях:
1. Определяется средний ранг связности пучка в полученной графовой модели УО:
Ζ cp . =
1
m
i=n
∑Ζ m
i
i
, или Ζ cp . = p ,
i =1
199
m
(6)
Проблемы современного естествознания
где Ζ cp . – средний ранг связности пучка в модели (связь/пучок); m – количество пучков в графовой
модели; mi – количество пучков с рангом связности; p – количество связей в графовой модели. Для
проверки правильности подсчета рекомендуется известное соотношение между количеством вершин
и ребер (связей) «дерева»: количество ребер ( p ) всегда на единицу меньше количества вершин ( y ):
p = y −1.
2. Определяются абсолютные значения приведенной степени абстрагирования для каждой из
вершин x ji модели:
Φ (x ji ) = log 2 [(z ji − 1)y (x ji ) + 1] ,
( )
(7)
где Φ x ji – приведенная степень абстрагирования вершины x ji [бит/сем. ед.];
z ji – средний ранг связности пучка в той части структуры, в вершине которой находится семантическая единица x ji ;
y (x ji ) – функция, определяющая количество вершин графа в той части структуры, в вершине ко-
торой расположена семантическая единица x ji .
При этом если семантическая единица x ji является исходным элементом модели (не имеет нисходящих связей), то ее степень абстракции принимается равной единице.
−1
3. Рассчитываются значения Φ x ji
для всех x ji .
[ ( )]
4. На основании обоснованной в работе [38] функции распределения определяются вероятности
для всех вершин графа:
( ) (
) [ ( ) ]× ⎡⎢∑Φ (x ) ]
q x ji = q x j −1,b × Φ x ji
( )
где q x ji
−1
z
−1 −1
,
(8)
⎣ i =1
– вероятность появления семантической единицы x ji , являющейся вершиной или узлом
ji
графовой модели УО;
q x j −1,b – вероятность предшествующей высшей семантической единицы, с которой связана
(
)
предыдущая вершина x ji ;
Φ (x ji ) – приведенная степень абстрагирования рассматриваемой вершины x ji ;
Φ (x jl ) – приведенные степени абстрагирования всех семантических единиц вида x ji , связанных
с вышестоящей единицей xi −1,b , включая и рассматриваемую (l = 1, Z ) .
Вероятность конечной вершины графа в эталонной модели принимается равной единице:
q(x11 ) = 1.
5. Рассчитывается показатель конфигурации (коэффициент относительной энтропии) графовой
модели:
Ε = Η / Η max ,
Η max = log 2 m ,
Η = ∑ (− qi log 2 qi ),
(9)
(10)
где Ε – коэффициент относительной энтропии (показатель конфигурации) графовой модели УО;
Η max – величина максимальной энтропии числа m семантических единиц графовой модели УО;
Η – величина исходных m-элементов рассматриваемой модели;
qi (i = 1, m ) – рассчитанное значение вероятности исходного элемента рассматриваемой модели.
6. Определяется количество семантической информации, содержащейся в структуре рассматриваемой модели:
S (Y ,V , E ) = S (Y ) + S (V ) + S (E ),
(11)
где S (Y, V, E) – количество семантической информации, содержащейся в структуре графовой модели [бит];
S (Y) – количество семантической информации, содержащейся в структуре при изменении ее ранга связности от 0 до 1 [бит];
200
Вестник Камчатского государственного технического университета
S (V) – количество семантической информации, образующейся при изменении ранга связности
пучка в структуре от 1 до Z cp [бит];
S (E) – количество семантической информации, заключенное в конфигурации данной системы [бит];
y – количество вершин в графовой модели.
Следует отметить тот факт, что выражение 11 с точки зрения классической теории графов является не вполне обоснованным. Однако, несмотря на этот недостаток, данную методику можно использовать, поскольку система автоматизированной диагностики должна лишь оценивать соответствие графовой модели УО, выдаваемой обучаемым, эталонной модели, формируемой обучаемыми.
Предлагаемая В.П. Мизенцевым методика позволяет оценивать содержащуюся в модели УО семантическую информацию, независимо от плана выражения (т. е. УО может формироваться обучаемым в любом виде: текстовая информация, графическая, аудио-, видеоинформация и т. д.). Это утверждение является важным с точки зрения постановки задачи, поставленной в настоящей работе.
Поскольку разрабатываемые в рамках настоящей работы алгоритм и методика автоматизированной
оценки качества обучения должны одинаково уверенно работать как с текстовой, так и с графической учебной информацией.
Следует отметить, что концепция иного подхода обоснована в работе Н.М. Соломатина [13].
В данном подходе акценты формализованного анализа сдвинуты в сторону одномерного плана выражения логико-смысловой структуры ИС.
Н.М. Соломатин предлагает представлять логико-смысловую структуру ИС (информационной
семантической системы (ISS), в формулировке автора рассматриваемой методики) в виде матрицы,
по вертикали которой содержатся аспекты (свойства объекта), количественно отображающие посредством специальных знаков полноту представления семантической информации, а по горизонтали –
позиции, количественно отображающие посредством специальных знаков точность представления
семантической информации.
В математической интерпретации аспект a представляет собой последовательность знаков (букв,
слов, символов и т. д.):
a =< χ ,α , μ ,13 ,! > .
За единицу семантической информации принимается знак, содержащий объект и отношение, т. е.
факт. «Два логически связанных слова, из которых одно обозначает предмет, а другое – отношение, образуют предложение, имеющее минимальный уровень плана содержания – факт. Факт не поддается расчленению в семантическом плане, он является исходной единицей содержания» [13, с. 52]. Носитель простого факта – элементарно простое предложение, состоящее из субъекта и предиката. При этом сложное
понятие может быть сведено к сумме простых взаимосвязанных фактов, так как сложное предложение
можно представить суммой простых. Таким образом, количество семантической информации в понятии,
оформленном в виде сообщения, Н.М. Соломатин предлагает определять из выражения:
Ι c = an ,
где a ≥ 1 – число аспектов (отношений, свойств) в модели;
n ≥ 1 – среднее число дескрипторов (наименований понятий), выражающее аспект.
Практическая реализация приведенного выше метода оценки семантической информации предполагает создание мощной экспертной системы для каждой изучаемой предметной области. А это неминуемо
повлечет за собой потерю универсальности разрабатываемых алгоритмов. Помимо этого, создание подобного рода глобальных экспертных систем чрезвычайно трудоемкое (с точки времени разработки) и
ресурсоемкое (с точки зрения необходимых ресурсов ЭВМ) дело. Поэтому при разработке алгоритмов
автоматизированной оценки знаний обучаемого от использования данного метода воздерживаются.
Литература
1. Бичаев Б.П., Зеленин В.М., Новик Л.И. Морские тренажеры. – Л.: Судостроение, 1986.
2. Гильбух И.З. Тренировочные устройства в профессиональном обучении (психологопедагогические аспекты). – Киев: «Вища школа», 1979.
3. Губинский А.И., Евграфов В.Г. Эргономическое проектирование судовых систем управления.
– Л.: Судостроение, 1974.
4. Губинский А.И., Евграфов В.Г. Информационно-управляющие ЧСМ: исследование, проектирование, испытания. – М.: Машиностроение, 1993.
5. Печников А.Н. Теоретические основы психолого-педагогического проектирования автоматизированных обучающих систем. – Петродворец: ВВМУРЭ им. Попова, 1995.
201
Проблемы современного естествознания
6. Теоретические основы процесса обучения в советской школе / Под ред. В.В. Краевского,
И.А. Лернера – М.: Педагогика, 1989.
7. Горский Ю.М. Информационные аспекты управления и моделирования. – М.: Наука, 1978.
8. Горский Ю.М. Системно-информационный анализ процессов управления. – Новосибирск:
Наука, Сиб. отд., 1988.
9. Леонтьев А.П., Гохман О.Г. Проблемы управления учебным процессом (математические модели). – Рига: Зинанте, 1984.
10. Майлс У. Измерение ценности информации // Зарубежная радиоэлектроника. – 1965. – № 1.
11. Мизенцев В.П. Проблема аналитической оценки качества и эффективности учебного процесса
в школе. – Куйбышев: Куйбышевский гос. пед. ин-т, 1979.
12. Мизенцев В.П., Кочергин А.В. Проблемы аналитической оценки качества и эффективности
учебного процесса в школе. – Куйбышев: Куйбышевский гос. пед. ин-т, 1986.
13. Соломатин Н.М. Информационные семантические системы. – М.: Высшая школа, 1989.
14. Харкевич А.А. О ценности информации // Сб. «Проблемы кибернетики». Вып.4.– Физматгиз, 1960.
15. Урсул А.Д. Природа информации. Философский очерк. – М.: Политиздат, 1968.
16. Балл Г.А. Теория учебных задач: психолого-педагогический аспект. – М.: Педагогика, 1990.
УДК 537
О ПОЛЬЗЕ РЕШЕНИЯ ОДНОЙ ЗАДАЧИ МЕХАНИКИ
ДЛЯ ПРЕПОДАВАНИЯ КУРСА ФИЗИКИ В ВУЗЕ
Ж.Ф. Иваницкая (КамчатГТУ)
В статье рассматривается важность решения задачи по классической механике для изучения студентами основных разделов физики.
The article covers the importance of solving problems on classical mechanics to study the main parts
of physics.
По традиции в нашем вузе один преподаватель читает курс физики, включающий в себя все разделы: механику классическую и релятивистскую, молекулярную физику и термодинамику, электромагнетизм, атомную и ядерную физику, а также физику сплошных сред. Весь курс вычитывается
в первых трех семестрах, когда студенты еще не изучили математику, зачастую физика читается параллельно с математикой.
Из многолетнего опыта автор пришел к убеждению, что для объяснения и усвоения студентами
таких разделов как «Распределение Максвелла молекул по скоростям», «Барометрическая формула»,
«Распределение Больцмана», «Распределение Ферми», «Затухающие колебания», «Экстратоки замыкания и размыкания цепей», «Поглощение электромагнитного излучения», «Законы теплового излучения», «Радиоактивный распад», целесообразно уже на втором практическом занятии по классической механике решить следующую задачу:
Катер массы m, имеющий скорость vo, движется по спокойной воде. В момент времени t = 0
двигатель катера глохнет, и катер продолжает движение, встречая силу сопротивления F = bv,
где b – коэффициент, зависящий от формы катера и внешних условий. Определите зависимость
скорости катера от времени. Постройте график зависимости v(t).
При решении этой задачи пользуются основным законом динамики поступательного движения,
результатом которого является дифференциальное уравнение первого порядка для зависимости скорости от времени. По второму закону Ньютона сумма сил, действующих на катер, равна произведению массы на ускорение, т. е.
r
r
∑ F = m ⋅ а . Здесь суммарной силой является сила сопротивления, на-
правленная против скорости катера, что учитывается знаком «–», а ускорение – это первая
производная скорости по времени. Поэтому
dv
− bv = m .
dt
Разделяя переменные, получаем:
dv
b
= − dt .
v
m
202
Вестник Камчатского государственного технического университета
Интегрируем обе части:
v
∫
vo
t
dv
b
=−
dt .
v
m0
∫
Окончательно приходим к зависимости:
v = vo
b
− t
m
e
.
Так как не все студенты « чувствуют» эту зависимость, целесообразно по точкам построить график v(t) при b = m, а затем и при других b , в результате чего студенты начинают глубже понимать
m
физическую суть процессов, описываемых затухающей экспонентой.
В дальнейшем подобные зависимости будут использованы в вышеназванных разделах курса
физики. Студенты будут легче воспринимать графики затухающих гармонических колебаний, что
проверено на опыте при проведении лекционных, практических и лабораторных работ.
УДК 94(571.5)
ПЕРВЫЙ ГЕРБ ПРИМОРСКОЙ ОБЛАСТИ:
«ПРЕДПОЛАГАЕМЫЙ» И УТВЕРЖДЕННЫЙ
В.П. Королюк (МГУ им. Г.И. Невельского, г. Владивосток)
В госархиве Дальнего Востока обнаружено описание первого проекта герба Приморской области, разработанного под руководством военного губернатора К.А. Эрдмана в 1877 г.
In the Russian State Archive of Far East was discovered the description of the first project of the
emblem of Seaside region, designed under the direction of the military governor K.A. Erdman in 1877.
4 июня 1877 г. из Главного Управления Восточной Сибири (г. Иркутск) в тогдашнюю столицу
Приморской области г. Николаевск военному губернатору была послана телеграмма следующего содержания: «Поручению председательствующего Совета прошу первою же почтою выслать Главное
Управление рисунок герба Приморской области присовокупив когда утвержден герб этой области.
Член Совета Сиверс».
Ровно через неделю Приморский областной Совет производит «рассмотрение проектируемого
герба Приморской области» и отмечает: «Во исполнение сего составлен рисунок предположительного герба Приморской области, который должен являть собою: щит в золотом поле, разделенный на
две равные части рекою, посреди которой помещена рыба (эмблема судоходства и рыболовства, доставляющего главное питание всему населению) в верхней части щита изображены крестообразно два
двухлапных морских якоря (морская эмблема), а в нижней части щита изображен соболь (эмблемы:
звероловства и главного богатства края). Щит увенчан золотою Императорскою короною» 1 . Как видим, уже тогда главными экономическими отраслями на российском Дальнем Востоке признавались
рыболовство, судоходство и пушной промысел (рис. 1).
Это решение вскоре было утверждено военным губернатором области контр-адмиралом
К.А. Эрдманом, и через неделю «копию с журнала Приморского областного Совета и рисунок предполагаемого герба Приморской области» препроводили в Главное Управление Восточной Сибири
(рис. 2). Но понадобилось еще четыре года с неоднократными запросами «наверх», чтоб Главное
Управление Восточной Сибири за № 977 от 19 сентября 1881 г. известило:«Господину Военному Губернатору Приморской области. – Вследствие представления предместника Вашего от 18 Июня 1877 г.
за № 3283, честь имею уведомить, что герб Приморской области Высочайше утвержден 5 июля 1878 г.
и помещен на 76 странице отпечатанного в картографическом заведении Ильина издания “Гербы Губерний и Областей Российской Империи. СПб. 1880”.
1
Герба, собственно, для Приморской области утверждено не было, а был «Высочайше утвержден в 22 день Июня
1851 года Герб для Камчатской области» (Полное Собрание законов 1851 г., № 25329).
203
Проблемы современного естествознания
Рис. 1. Реконструкция проекта «предполагаемого»
герба Приморской области 1877 г.
Рис. 2. Совмещение схематического изображения
Приморской области (по «Атласу Азиатской России»,
1914 г.) и ее утвержденного герба
Герб изображает: “В серебряном щите, лазуревый столб, между двух черных сопок, с червлеными (т. е. красными – В.К.) пламенами. Щит увенчан древнею Царскою короною и окружен золотыми
дубовыми листьями, соединенными Александровскою лентою”.
О Высочайшем утверждении в 5 день Июля 1878 года гербов губернских и областных сообщено
Указом Правительствующего Сената от 1 Ноября 1878 за № 786, напечатанном в собрании узаконений и распоряжений Правительства за 1878 год, во втором полугодии.
Генерал-Губернатор Генерального Штаба Генерал Лейтенант Анучин».
Почему же обширнейшее пространство дальневосточных земель – Приморская область, объединявшая российские территории от Камчатки до Кореи – в результате получило именно такую символику? Если взглянуть на карту Российской Империи в направлении на восток (т. е. так, как это видится из столицы), то вопрос отпадет сам собой: точно по центру области заканчивает свое течение
Амур, слева (север) и справа (юг) ее прикрывают горные хребты. Столичный чиновник, рисовавший
герб, очевидно, попросту перенес на щит то, что выделялось на карте.
Серебряное поле щита – признак принадлежности к Сибири («сибирский» цвет – белый). А что
касается «пламен» на сопках, так это – типичное изображение дальневосточных гор. В те поры считалось, что на Дальнем Востоке все сопки горят пламенем (т. е. это признак их «дальневосточности»).
«Читать» же герб, по-видимому, следовало так: «это сибирская земля, делимая надвое полноводной
рекой, с двух сторон которой расположены дальневосточные горы». Так что герб вполне можно отнести к разряду топографической геральдики, т. к. на нем условно изображена именно карта области.
Этот лаконичный и безупречный с точки зрения геральдики символ «продержался» почти четверть века – вплоть до образования Дальневосточной Республики (ДВР), которая 11 ноября 1920 г.
утвердила собственный герб.
204
Вестник Камчатского государственного технического университета
УДК 639.2.081
СТАТИСТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ПРИ ОБРАБОТКЕ
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ СЕЛЕКТИВНОСТИ
БУКСИРУЕМЫХ ОРУДИЙ ЛОВА
Е.Г. Норинов (КамчатГТУ)
Совершенствованию селективных свойств орудий лова, прежде всего тралов, на долю которых приходится основная масса мирового вылова гидробионтов, уделяется все более пристальное внимание не только со стороны исследователей, но и со стороны органов управления
рыболовством. Разработка рекомендаций, регулирующих промысел в зонах совместного пользования биологическими ресурсами, относится к компетенции международных организаций.
В их числе ИКЕС занимает одну из лидирующих позиций. Рекомендации этой авторитетной
организации позволяют обобщить опыт различных научных школ, в т. ч. и большое количество
разобщенных данных, относящихся к селективности рыболовства. Расширение возможностей
применения статистических моделей и создаваемых на их основе программных средств, как
отечественных, так и зарубежных, позволяет делать выводы относительно сложнейших процессов рыболовства более достоверными.
To perfection of selective properties of fishing gears, first of all of the trawls, which are the basic
world catch, is given more steadfast attention not only on the part of the researchers, but also on the part
of fishery management. The development of the recommendations regulating a fishery in zones of joint
usage by biological resources concerns the competence of the international organizations. Among them
ICES occupies one of leading positions. The recommendations of this authoritative organization allow to
generalize experience of various scientific schools, including a plenty of the separated data concerning
selectivity of fishery. The expansion of opportunities of application of statistical models and software,
created on their basis, both domestic, and foreign, allows to do conclusions of very complicated
processes of fishery more reliable.
Существующие методы экспериментальных исследований позволяют определять селективные
свойства орудий лова, их функциональных частей или сетных оболочек с различными характеристиками путем сопоставления уловов из двух разных циклов лова, проведенных разными орудиями, или непосредственно из каждого цикла лова одним орудием при условии, если это орудие оборудовано специальными покрытиями или уловителями. Полученные одним из экспериментальных методов данные,
как правило, в виде улова и отсева заносят в первичную таблицу, как показано на примере табл. 1.
Таблица 1
Пример представления первичных экспериментальных данных, характеризующих
селективные свойства траловых мешков с различной структурой сетной оболочки
Длина
криля, мм
21–25
26–30
31–35
36–40
41–45
46–50
51–55
56–60
Ромбическая ячея
Улов, кг
Отсев, кг
0
105
148
592
1 761
1 840
2 362
1 138
1 452
335
437
68
55
6
4
0
Квадратная ячея
Улов, кг
0
47
577
1 273
834
191
55
12
Отсев, кг
19
550
826
324
52
9
2
0
Обработка первичных данных, как и их последующий анализ, осуществляется различными методами
в зависимости от поставленной задачи и требуемой точности. Это могут быть расчетные методы, построение дифференциальных и интегральных графиков распределения вероятностей удержания, линейная аппроксимация средней части экспериментальной кривой и т. д. Искомыми характеристиками, как
правило, являются точка 50-процентного отбора и диапазон селективности, который чаще всего соответствует разности между значениями в точках 25- и 75-процентного отбора.
Практика рыболовства и результаты исследований селективных свойств орудий лова свидетельствуют о том, что всегда имеется определенный диапазон размера рыб, в пределах которого происходит постепенный переход от полного отсева к 100-процентному удержанию. Это следствие совокупности причин, главными из которых являются физиологическое состояние рыбы и техническое состояние сетной
оболочки орудия лова. Математическим языком можно сказать, что по мере уменьшения размера рыбы
вероятность ее удержания постепенно уменьшается в определенных пределах. Очевидно, чем меньше
этот предел (диапазон селективности), тем лучшими селективными свойствами обладает орудие лова.
5
Промышленное рыболовство
Если в прямоугольной системе координат против каждого размера (возраста) облавливаемого
объекта откладывать соответствующий ему процент удержания, то полученный таким образом график будет иметь форму сигмоиды. Экспериментальные кривые, полученные данным путем в идентичных условиях, обычно мало отличаются одна от другой. При изменении какого-либо параметра
лова, характеристики сетного полотна или конструкции сетной оболочки форма графика селективности или его положение в системе координат также изменится соответствующим образом. Такая закономерность используется в целях управления рыболовством. Однако регулирующее воздействие оказывается эффективным только при условии проведения тщательного эксперимента по определению
избирательных свойств орудия лова, соответствующего новым требованиям. Еще лучше, если органы
управления рыболовством будут иметь достаточное количество достоверных данных о селективных
свойствах широкого набора технических средств для более оперативной ликвидации проблем, возникновение которых на промыслах не всегда удается предсказать заранее.
При обработке экспериментальных данных для удобства их дальнейшего анализа и представления прежде всего необходимо установить соответствующие интервалы. Например, первичные результаты измерения длины рыб представляют в односантиметровых группах, а при работе с крилем,
имеющим сравнительно малые размеры, удобнее пользоваться данными, представленными в пятимиллиметровых группах (табл. 1). Иногда используют перегруппировку данных или их выравнивание. В исследованиях по селективности орудий лова обычно пользуются общими способами выравнивания эмпирических рядов: графическим, скользящей средней и наименьших квадратов. Для
выравнивания функций определенного вида (параболических, асимптотических, логистических, периодических и асимметричных), применяемых для аппроксимации данных селективности, пользуются известными математическими методами, описанными в специальной литературе.
Глубокое изучение сути селективного отбора гидробионтов орудиями лова неизбежно приводило
к заключению, что в основе избирательности лова различными техническими средствами, как и в основе селективности рыболовства в целом, лежат случайные процессы. Поскольку вероятности быть
захваченными орудием лова и вероятности быть удержанными для различных гидробионтов и технических средств лова определяются разными факторами, в свое время была высказана гипотеза о возможности применения для анализа данных по селективности закона нормального распределения Гаусса–Лапласа в интегральном виде [1]:
x
F(x) = P(X < x) =
∫ f(x)dx ,
−∞
где F(x) – есть вероятность того, что случайная величина Х примет значение, меньшее некоторого
числа х. График этой функции имеет определенные сходства с экспериментальной кривой селективности. Если за единицу масштаба оси ординат принять F(+∞) = 1, то по интегральной кривой можно
графически находить вероятности удержания рыб, участвующих в процессе селективного отбора.
Функция распределения вероятностей является возрастающей от 0 до 1, она пригодна для задания закона распределения как дискретных, так и непрерывных случайных величин.
Начало кривой селективности находится в точке p = 0, но l ≠ 0, точка перегиба соответствует
значениям p ≈ 0,5 и l = b, где b равняется определенной величине, зависящей от селективных свойств
орудия лова. Верхний конец кривой асимптотически приближается к линии p = 1. Сама кривая характеризуется постепенным увеличением p от нуля при малых значениях l до единицы при предельном
значении l. Обычно экспериментальные кривые селективности симметричны или почти симметричны
относительно точки с ординатой p = 0,5.
Таким образом, селективность может быть определена как вероятность, являющаяся следствием
вариации множества влияющих на нее причин, каждая из которых может быть положительной или
отрицательной, и ни одна из них не является преобладающей. Следовательно, средние значения соответствующих размеров промысловых объектов, сгруппированных в определенных интервалах, являются случайными величинами. Численности удержанных объектов, выраженные в процентах от численности размерных групп, размещенных в порядке возрастания так, что их график образует огиву,
будут аналогичны накопленной частоте теоретического распределения, подчиненного нормальному
закону. После того как экспериментальный график построен, его ординаты могут представляться как
условные накопленные частоты соответствующего нормального распределения и может определяться степень соответствия между теоретической и экспериментальной кривыми.
Принимая, что «с заведомыми допущениями селективность все же может быть определена как
вероятность», А.И. Трещев [1] оговаривал, «что отбор рыб рыболовными орудиями является результатом сложения двух процессов: селективности рыболовства и селективности рыболовных орудий.
6
Вестник Камчатского государственного технического университета
Первый из этих процессов по своей природе не является чисто вероятностным. В нем существенную
роль играет сознательная деятельность рыбаков, основанная на логической целесообразности ведения
лова в том или ином районе, в то или иное время и т. д. Поэтому нормальное распределение как чисто
механический закон массового случайного проявления признаков при данных условиях не всегда
оказывается приемлемым, что выражается в более или менее значительном расхождении теоретической и экспериментальной кривых».
Из других функций, графики которых симметричны относительно точки с ординатой p = 0,5,
наиболее близкой к экспериментальным данным по селективности орудий лова является логистическая, которая носит название функции Ферхюльст–Пирля и в общем виде выражается формулой:
y=
d
+c,
1 + e − (a + bx)
где a, b – параметры, определяющие наклон и изгиб логистической кривой;
c – расстояние от оси абсцисс до нижней асимптоты;
d – расстояние между асимптотами.
Для построения кривой селективности по ординате откладывают численность удержанных промысловых объектов p, по абсциссе – величины их характерного размера, сгруппированные в выбранных интервалах. В зависимости от того, в чем выражается p, в долях единицы или в процентах, d будет равно 1 или 100. Полагая, что c во всех случаях может быть принято равным нулю, получим
формулу логистической функции в виде:
p=
1
1 + e − (a + bl)
.
Это выражение можно преобразовать в уравнение:
p = (1 − p)e (a + bl) ,
после логарифмирования которого получим:
⎛ p ⎞
⎟⎟ = a + bl,
ln⎜⎜
⎝1− p ⎠
или
ln z = a + bl.
Для определения искомых величин a и b А.И. Трещев [1] предлагал решать полученное уравнение линейной функции способом наименьших квадратов из системы нормальных уравнений:
∑
∑
⎧⎪ na + b l =
⎫⎪
lnz;
⎨
⎬
2
llnz. ⎪⎭
⎪⎩ a l + b l =
∑
∑
∑
Найдя из этих уравнений значения a и b, можно составить ряд величин a +bl, равных теоретическим значениям
⎛ p ⎞
⎟⎟ = λ .
ln ⎜⎜
⎝1− p ⎠
Величины λ, определенные по формуле λ = a + bl, называются логитами, а сам логистический
метод анализа экспериментальных данных – методом наибольшего правдоподобия, или максимальной вероятности.
Находя таким образом значения характерных точек на кривой селективности и сопоставляя их
с соответствующими значениями, полученными другими методами, А.И. Трещев [1] указывал, что
«аппроксимация методом максимального приближения для подсчета параметров селективной кривой
является наиболее эффективной». Оценка же наиболее важной в практическом отношении
50-процентной точки, вычисленная по методу максимального приближения, наиболее близка ее значению, полученному методом скользящей средней.
Поскольку кривые селективности должны применяться при разработке средств управления рыболовством, использование единого и более точного метода их аппроксимации имеет важное практическое
7
Промышленное рыболовство
значение. Не случайно поэтому метод максимального приближения в последние годы пользуется наибольшим вниманием экспертов международных организаций и исследователей в области рыболовства.
Основная цель обобщений, сделанных экспертами ИКЕС [2], заключалась в упрощенном представлении базовой статистической модели для анализа данных селективности буксируемых орудий
лова и демонстрации того, как она продвинула анализ данных размерной селективности.
Статистическое моделирование селективности буксируемых орудий лова заключается в том, что кривая селективности p(l) есть вероятность того, что рыба длиной l удержана, если она вошла в орудие лова.
Данное определение кривой селективности нельзя смешивать с особенностью поведения, т. е.
со способностью избежать облова (удержания). В наблюдениях (экспериментах) со спаренными орудиями лова (сдвоенные, «штаны», чередующиеся или параллельные траления) такое поведение в условиях, соответствующих реальным рыболовным усилиям, и моделируется как дополнительный
структурный компонент эксперимента.
Приведенное выше определение кривой селективности дает возможность с большой вероятностью предположить, что кривые селективности являются неубывающими функциями с диапазоном
между нулем и единицей.
Как отмечалось выше, кривая селективности, являющаяся графическим отображением логистической функции совокупного распределения случайных величин, наиболее распространена и может
быть представлена в виде:
p(l) =
exp(a+ bl)
,
1 + exp(a+ bl)
где a и b – параметры, которые необходимо определить (оценить). Эту кривую иногда называют «logit», потому что она может иметь вид:
a + bl = log e
p(l)
≡ logit(pl).
1 − p(l)
Если p(l50) = 0,5, то
a + bl50 = loge
0,5
= loge (1) = 0.
1 − 0,5
Это соответствует тому, что l50 = –a/b.
Используя алгебраические выражения, можно определить, что диапазон селективности SR будет
определяться следующим образом:
SR = l75 − l25 =
2loge (3) 2,197
.
≈
b
b
Если кривая селективности есть функция совокупного нормального распределения случайных
величин
p (l) = Ф(a + bl),
где Ф – встроенная функция совокупного распределения стандартных нормальных случайных величин, то можно записать:
a + bl = Ф −1 (p(l)) ≡ probit(p(l)),
что и определяет название этой кривой – «probit» (нормальная вероятность).
Подобно кривой логистической функции, для Ф можно записать:
a + bl50 = probit(0,5 ) = 0,
а также l50 = – a/b и SR = l75 − l25 =
2probit(0,75) 1,349
≈
.
b
b
8
Вестник Камчатского государственного технического университета
Кривая селективности Гомпертса представляется выражением:
p(l) = exp( − exp( − (a + bl)))
и может иметь вид a + bl = –loge(–loge(r(l))), поэтому она получила название кривой «log-log» (экстремальное значение).
Таким образом,
l50 =
− loge ( −loge (0,5)) − a 0,3665 − a
≈
,
b
b
а также
⎛ log e (0,25) ⎞
⎟
log e ⎜⎜
log e (0,75) ⎟⎠
⎝
SR =
≈ 1,573/b.
b
Отрицательное экстремальное значение (complimentary log-log) имеет вид:
p(l) = 1 − exp( −exp(a + bl))
и может быть переписано как
a + bl = log( − log(1 − p(l))).
Тогда
l50 =
loge ( −loge (0,5))− a − 0,3665− a
≈
,
b
b
а также
⎛ log e (0,25) ⎞
⎟
log e ⎜⎜
log e (0,75) ⎟⎠
⎝
SR =
≈ 1,573/b.
b
Кривая селективности Ричардса (Richards) включает в себя асимметрический параметр δ в форме:
1/δ
⎛ exp(a + bl) ⎞
⎟⎟ .
p(l) = ⎜⎜
⎝ 1 + exp(a + bl) ⎠
Когда δ > 1, кривая удлиняется (смещается) влево от l50, а при 0 < δ < 1 – вправо. Когда δ = 1,
она уменьшается симметрично логистической кривой.
Формула кривой селективности Ричардса может быть записана как
a + bl = logit(p(l) δ ),
следовательно,
l50 =
SR =
logit(0,5 δ ) − a
,
b
logit(0,75δ ) − logit(0,25δ )
.
b
Кривые логистической функции, функций нормального, экстремального и негативного экстремального распределения величин принадлежат к классу обобщающих линейных моделей (generalised
linear models – GLM) благодаря тому, что линейное выражение a + bl может быть представлено как
функция p(l) (и никакими другими параметрами).
9
Промышленное рыболовство
Выше параметрические кривые были определены с использованием параметров a и b (а также δ –
в кривой Ричардса). Тем не менее, логические выводы о кривых селективности обычно связаны с параметрами l50 и SR (ДС). Статистические особенности (свойства) этих параметров могут быть логически выведены из статистических свойств параметров a и b, но в некоторых случаях более удобно работать непосредственно с параметрами селективности. Например, для использования в SAS Миллар
[3] описывает логистическую кривую селективности (1) как
⎛ k(l − l50 ) ⎞
⎜
⎟
⎝ SR
⎠
p(l) =
,
⎛ k(l − l50 ) ⎞
1 + exp ⎜
⎟
⎝ SR
⎠
где k = 2loge(3). Это позволяет SAS иметь выход l50 и SR, а также их оценочные стандартные отклонения.
Непараметрические и полупараметрические кривые не следуют каким-либо предписанным параметрическим формулам, но обычно указываются через общие условия. Они могут включать гладкость, такую как ограничения по производным, широте диапазона сглаживания ядра, промежуток локальной регрессии или требование, чтобы кривая была симметрична.
Непараметрические кривые также могут быть сведены под требования общего вида, такие как
необходимость для кривой быть симметричной и/или сигмовидной. Также возможно требовать, чтобы кривая селективности была неуменьшающейся.
При оценке сходимости кривых селективности с данными, полученными методом покрытий, основной предпосылкой является то, что данные распределяются биноминально. Это стандартный вывод для экспериментов со «смешиванием монет», что полностью соответствует методу покрытий.
«Смешивание монет» соответствует входу рыбы в трал и наблюдающемуся выходу (головой или хвостом), тому, что рыба удерживается в траловом мешке или в покрытии. Биноминальное распределение характеризуется двумя параметрами: количеством «подбрасываний монет» (т. е. количеством
рыбы, входящей в трал) и вероятностью того, что монета выпадет «орлом» (где «орел» соответствует
удержанию рыбы траловым мешком).
Биноминальное распределение предполагает, что «подбрасывания монет» независимы, т. е. судьба
одной рыбы не зависит от судьбы другой рыбы. Это предположение может быть выверено через диагностику проверки модели, кроме того, оценочные параметры модели устойчивы к нарушению этого вывода,
поэтому при необходимости может быть произведено регулирование процедуры логических выводов.
Максимальная вероятностная сходимость логистической (logit) или нормальной (probit) кривых
с биноминальными данными является общей для многих других областей научных исследований,
и, следовательно, наиболее известные статистические пакеты имеют такую способность. Программное
обеспечение для случаев с другими параметрическими кривыми в настоящее время находится в стадии
разработки, в т. ч. для отдельного применения к исследованиям селективности (ConStat, 1995).
Для анализа данных экспериментов со спаренными орудиями лова была разработана соответствующая методология, которая сейчас наиболее широко используется и известна как SELECT-метод
(Share Each LEngths Catch Total).
SELECT использует биноминальные предположения таким способом, который является естественным обобщением анализа данных, полученных с использованием покрытий. В ситуации со спаренными орудиями лова метод «подбрасывания монет» соответствует тому, была ли пойманная рыба
захвачена исследуемым или контрольным средствами лова (траловыми мешками). Заметим, что здесь
не рассматривается ненаблюдавшийся выход рыбы из исследуемого тралового мешка (статистически
устойчивый элемент по методологии SELECT устанавливает это как должное). Так же, как и при анализе данных, полученных с использованием покрытий, биноминальные предположения определяют,
что «судьба» пойманной рыбы не зависит от «судьбы» другой пойманной рыбы. Здесь «судьба» означает, что рыба была поймана либо исследуемым траловым мешком, либо контрольным. Заметьте, что
«судьба» рыбы определяется тем, в какой из двух мешков она вошла, в дополнение к ее способности
избежать исследуемый траловый мешок, если она и вошла в него. Таким образом, «независимость» рыбы относительна к ее входу в оба мешка и способности избежать исследуемый мешок.
При определении вероятности того что пойманная рыба захватывается в исследуемый траловый
мешок, можно рассмотреть возможность наличия разницы промысловых мощностей в отношении
тестируемого и контрольного орудий лова.
Относительная промысловая мощность p исследуемого мешка является вероятностью того, что
рыба вошла в него, равно как и в комбинированное орудие лова (тестируемое и контрольное).
Данное определение является специальным случаем «относительной промысловой интенсивности», которую Миллер [4] использует, чтобы включить относительную промысловую мощность, раз10
Вестник Камчатского государственного технического университета
ницу в рыболовных усилиях и локализованную концентрацию рыбы. (Миллер использует альтернативный термин «относительная промысловая эффективность» вместо «относительной промысловой
мощности»). Относительная промысловая интенсивность может также быть использована для цифрового выражения разницы в пробах, когда уловы из траловых мешков не были измерены полностью.
Можно свести модель под предположение, что два траловых мешка работают с одинаковой мощностью, взяв p, равное 0,5. Тем не менее, всегда необходимо также позволить модели оценить p, потому что, несмотря на небольшие усилия при проведении экспериментов по селективности, часто бывает, что два траловых мешка не работают с одинаковой мощностью.
С методами оценок вариаций стандартных погрешностей, остатков и проверки моделей можно
познакомиться в специальной литературе, в т. ч. и в обобщенном отчете ИКЕС [2]. В большинстве же
случаев, с которыми сталкиваются исследователи и специалисты (эксперты), эти оценки являются
стандартными статистическими методами, включаемыми в пакеты общего статистического программного обеспечения.
В каждом из возможных случаев исследователь (эксперт) должен рассмотреть модификации анализов и при необходимости согласовать их. На этот счет, кроме указанных выше методов, существуют общепринятые рекомендации [2].
Примеры результатов анализа экспериментальных данных по селективности траловых мешков
приведены в табл. 2 и 3.
Таблица 2
Данные по уловам тресковых [2]
Количество в мешке
(улов)
15
6
14
16
11
Длина, см
23,5
25,5
27,5
29,5
31,5
Количество в покрытии
(отсев)
60
14
11
3
1
Сумма
75
20
25
19
12
Таблица 3
Приблизительная и полная максимальная сходимость логистической кривой
селективности с данными табл. 2*
Показатели
a
b
l50
SR (диапазон селективности)
Отклонение модели
Степени свободы
Значения p для сведения
Приблизительное максимальное
правдоподобие (ML)
–13,02
0,4876
26,70 (0,44)
4,51
Полное ML
–12,60 (2,10)
0,4725 (0,0810)
26,66 (0,44)
4,65 (0,80)
0,98
3
0,81
* Стандартные погрешности даны в скобках.
Иногда в реальных условиях промысла возникает необходимость определить селективность орудий лова методом чередующихся тралений. При этом могут сравниваться, например, траловые мешки с различной
формой ячеи, результаты тралений разной продолжительности или эффективность применения специальных устройств (решеток, вставок, «окон» и т. п.), повышающих избирательность траловых мешков.
Анализы данных чередующихся тралений усложняются широко распространенными допущениями о том, что в практике селективность орудия лова меняется от лова к лову, даже несмотря на то
что оно не претерпевало изменений в какой-либо из своих характеристик (свойств, параметров).
Причины вариаций результатов ловов не ясны, но можно полагать, что они являются следствием неконтролируемых изменений таких факторов, как направление течения, скорость ветра, глубина
и т. д., или изменений в облавливаемых скоплениях по составу, плотности и т. д. Даже если различия
между ловами не являются прямым следствием технологических особенностей орудий лова, они
должны быть учтены (оговорены) при анализе данных селективности, чтобы избежать неправильных
статистических выводов об эффектах от контролируемых конструктивных изменениях. Из-за игнорирования различия между результатами ловов могут возникнуть серьезные проблемы.
Данные уловов серии тралений (без контролируемых изменений), скомбинированные вместе,
анализируются как при отдельном тралении. Кроме того, при рассмотрении межтраловой вариабельности необходимо учитывать, что анализы данных уловов, скомбинированных по всем тралениям,
могут восприниматься как оценки по усредненной кривой селективности для исследуемого орудия
11
Промышленное рыболовство
лова. Усредненная кривая селективности может быть определена как кривая, описывающая весь процесс лова. Поэтому, если уловы моделируются, необходимо считать оценки суммарных уловов из
каждого траления, прежде чем их комбинировать. Из этого следует, что для больших уловов лучше
подходит усреднение кривой селективности, чем для малых.
Литература
1. Трещев А.И. Научные основы селективного рыболовства. – М.: Пищевая промышленность,
1974.
2. Manual of methods of measuring the selectivity of towed fishing gears. Edited by D.A. Wileman,
R.S.T. Ferro, R. Fonteyne, R.B. Millar. ICES cooperative research report, No. 215. Copenhagen, 1996.
3. Millar R.B. Analysis of trawl selectivity studies (addendum): implementation in SAS. Fish. Res. 17.
1993.
4. Millar R.B. Estimating the size-selectivity of fishing gear by conditioning on the total catch. JASA
87. 1992.
УДК 639.2.081
ИССЛЕДОВАНИЕ СТАВНОГО НЕВОДНОГО ЛОВА ЛОСОСЕВЫХ
М.Н. Коваленко (КамчатНИРО)
Приведены некоторые результаты работ на ставном неводном лове лососевых на западном
побережье Камчатки в путину 2002 г. Оценка коэффициента уловистости орудий лова даже современными инструментальными методами представляет определенную сложность. Опробован
метод оценки коэффициента уловистости ставного невода с помощью контрольной ловушки.
Some results of work on fixed salmon fishing net on western coast of Kamchatka in 2002 are indicated in
this work. The valuation of a fishing efficiency of fishing gear, even by modern tool methods, presents certain
complexity. Method of valuation of fishing efficiency of set net with the help of a control trapnet is tested.
Проблемы определения уловистости орудий лова связаны не только с достоверностью оценок численности промысловых популяций при использовании методов, где эти орудия лова применяются, но
и с точностью оценок интенсивности промысла. Известно, что увеличение интенсивности промысла
за пределы оптимума снижает его экономическую эффективность, а самое главное, может весьма отрицательно сказаться на состоянии популяции. В связи с этим для обоснования оптимального числа выставляемых неводов на том или ином промысловом участке (реке) требуется с достаточной точностью определить уловистость «стандартного» невода, а также оценить степень влияния различных факторов
(природных и/или технических) на величину этого показателя (коэффициента уловистости).
Точность оценки уловистости орудия лова существенно зависит от поведения облавливаемого
объекта – как отдельно взятой особи, так и скопления в целом. Сложные условия промысла не всегда
позволяют, а чаще всего исключают возможность прямых наблюдений за поведением биологических
объектов. Косвенные же методы нуждаются в достоверном статистическом подтверждении, т. е. требуют достаточного количества данных.
Научно-исследовательские работы, предварительные результаты которых приведены ниже, проводились в соответствии с тематическим планом работ КамчатНИРО на 2002 г. Ставной невод (научный) был
установлен в Охотском море на рыболовном участке 160 Б, в двух километрах на север от устья реки Большая. Координаты установки невода 52° 29' 03'' с. ш. – 156° 19' 04'' в. д.; 52° 29' 04'' с. ш. – 156° 19' 06'' в. д.
Лов проводился с целью проведения НИР с 25 июля по 10 августа 2001 г. Соисполнителем работ, осуществлявшим изготовление, установку и обслуживание ставного невода, выступило ООО «Навигатор».
В процессе проведения НИР изучалось поведение лососей в зоне действия ставного невода, проверялись конструктивные особенности невода в части обеспечения повышения уловистости и штормоустойчивости. Для проведения работ использовался невод ставной двухловушечный проекта 505,
разработанный лабораторией промрыболовства КамчатНИРО. Ловушки невода выставлялись на одном
крыле, общая длина которого составляла 800 м. Береговая ловушка была выставлена в 400 м от береговой
черты на глубине 3,5–4,0 м (по самой малой воде) и служила для облова рыбы в качестве испытуемой, а
морская ловушка, выставленная в 800 м от берега на глубине 5 м, служила в качестве контрольной для
оценки уловистости береговой ловушки. Конструктивно обе ловушки были идентичны, выполнены двухсадковыми с внутренними подъемными дорогами и оснащены в соответствии с проектом 505, при этом
глубина стенки береговой ловушки составляла 6 м, а морской 9 м (128 × 22 × 9,0 (6,0) м).
12
Вестник Камчатского государственного технического университета
Таким образом, был поставлен эксперимент по оценке коэффициента уловистости ставного невода, где одна ловушка использовалась как рабочая, а вторая в качестве контрольной.
Предполагалось, учитывая поведение лососей в зоне действия ставных неводов (реореакция, стайность), что береговая ловушка облавливает попавшую в зону ее влияния основную массу рыбы, а часть
рыбы, покинувшая зону облова первой ловушки, будет облавливаться второй (морской) ловушкой.
Коэффициент уловистости определялся как отношение количества рыбы, обловленной ставным
неводом, к количеству рыбы, попавшей в зону облова:
Ke =
Qc
,
Qc + Qs
где Ke – коэффициент уловистости (коэффициент эффективности лова);
Qc – улов испытуемой (береговой) ловушки;
Qs – улов контрольной (морской) ловушки.
Кроме этого, в процессе проведения НИР был поставлен эксперимент по исследованию влияния
прямолинейности крыла на уловистость невода, для чего в 300 м от берега, соответственно в 100 м от
береговой ловушки был допущен изгиб крыла, глубиной прогиба по отливу до 30 м. Допускалось, что
рыба, продвигаясь вдоль крыла невода, вследствие его значительного изгиба будет отклоняться
в сторону и обходить береговую ловушку, а затем должна быть обловлена морской ловушкой, где
крыло строго прямолинейно.
Невод оснащался таким образом, чтобы верхние подборы ловушек и садков надежно удерживались на поверхности воды. Загрузка двора ловушек, подъемных дорог садков и крыла обеспечивала
сохранение рабочей формы невода при скорости течения до 1,2 м/с. Плавучесть рам ловушек
и центрального троса была рассчитана на самозатопление под воздействием течений, близких к «критическим» скоростям (1,5 м/с). С учетом малых глубин в месте установки ловушек невода, штормоустойчивость обеспечивалась усиленным креплением каркаса неводной установки (центральный
трос, рамы, головные и угловые буи), общей прочностью неводной установки и использованием более крупноячейного сетного полотна в крыле и ловушках.
Крепление каркаса невода (центральный трос, рамы, буи) выполнялось набором наклонных оттяжек из стального троса диаметром 9–12 мм. В качестве подъякорников использовался канат комбинированный полипропилен-сталь диаметром 27–29 мм. В качестве якорей использовались мешки из
хлопчатобумажной ткани с песком. Общее количество мешков с песком, использованных в качестве
мертвых якорей для крепежа невода, составило 2 700 штук. За время проведения НИР было проведено 59 промысловых операций в течение 16 суток. Вылов на судосутки лова составил 66 556 кг лососевых, средний вылов на промысловое усилие – 18 049 кг.
В процессе НИР проводились визуальные наблюдения за поведением тюленей (ларги) в зоне действия ставного невода, их влиянием на уловистость невода. Травмирование лососей тюленями на неводе
составило 3,7 % от общего объема вылова, в том числе горбуши – 4,2 %, нерки – 1,9 %, кеты – 0,08 %.
В результате проведенных работ экспериментально подтверждено, что ставные невода с внутренними подъемными дорогами могут облавливать все 100 % рыб, зашедших в зону действия ставного невода, при условии правильной эксплуатации ловушек, учитывающей поведение лососей в зоне
действия ставного невода. Полученные данные подтверждают с достаточной степенью достоверности, что коэффициент уловистости ставного невода может быть равен единице.
При выборе конструкции невода применительно к конкретному объекту лова и району промысла,
а также в процессе эксплуатации необходимо учитывать характер и особенности поведения рыбы в зоне действия ставных неводов. Недооценка этого фактора ведет к снижению эффективности промысла.
Длина крыла ставного невода определяется дистанцией хода рыбы от берега и должна учитывать
вид объекта и конкретные условия района лова. Отклонение в большую сторону ведет к снижению
направляющей способности крыла, а в меньшую – к уменьшению зоны действия ставного невода.
Нарушение строгой прямолинейности крыла не сказывается на его направляющей способности и не
ведет к снижению уловистости.
Полученные в результате проведения НИР данные позволят сформировать научно обоснованные
подходы к определению коэффициента уловистости ставных неводов, рационализации промысловой
нагрузки при облове разновидовых локальных прибрежных скоплений тихоокеанских лососей
и обоснованию оптимального количества выставляемых ставных неводов.
13
Информационные технологии в промышленном рыболовстве и судовождении
УДК 658.012.011.56:639.2.055
ТЕХНОЛОГИИ И РЕЗУЛЬТАТЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ИНФОРМАЦИОННОЙ
СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА РЫБОЛОВСТВА
Резников В.Ю., Проценко И.Г., Бабюк А.В., Бажутин О.Е.,
Горбатюк В.В., Ермаков В.В., Кошкарева Л.А., Фомичев М.В. (КамчатГТУ)
С целью контроля рыбного промысла постановлением правительства Российской Федерации
от 26 февраля 1999 г. № 226 в г. Петропавловске-Камчатском создан Камчатский центр связи
и мониторинга. В работе изложены цели создания системы мониторинга рыболовства и задачи
Центра. Приведено описание компьютерных технологий мониторинга рыбопромысловых судов,
результаты функционирования информационной системы мониторинга рыболовства.
Government of the Russian Federation has declared Decree dated February 26, 1999 № 226 on
foundation of Kamchatka Center of Communication and Monitoring for the purpose of monitoring fishing
process. The report presents objectives of monitoring for fisheries and mission of the Center. There is a
brief review of computer technologies of monitoring of the harvesting vessels, results of functioning of information system of monitoring for fisheries.
Введение
Ввод в действие регионального центра мониторинга на базе Федерального государственного
унитарного предприятия «Камчатский центр связи и мониторинга» (далее ФГУП КЦСМ) вызван необходимостью создания более эффективной системы непрерывного наблюдения за местонахождением и промысловой деятельностью судов, обеспечивающей контроль и сохранение водных биологических ресурсов. Постановлением правительства Российской Федерации от 26 февраля 1999 г. № 226
«О создании отраслевой системы мониторинга водных биоресурсов, наблюдения и контроля за деятельностью промысловых судов» решение этой комплексной проблемы информационного обеспечения управления рыболовством было возложено на Госкомрыболовство России.
Приказом Комитета по рыболовству России от 30 ноября 1999 г. № 337 региональный центр мониторинга создан на базе Камчатского государственного предприятия «Рыбрадиоцентр» и, вместе
с новым статусом, новыми функциями и задачами, получил название Федеральное государственное
унитарное предприятие «Камчатский центр связи и мониторинга». Центр является основной составляющей береговой инфраструктуры системы мониторинга и создан для организации и проведения
этих работ в Дальневосточном регионе.
Сегодня Камчатский центр мониторинга позволяет отслеживать промысловую деятельность 2 500
судов, работающих в Дальневосточном бассейне. В рамках действующей информационной системы
мониторинга рыболовства, в т. ч. системы позиционирования, обеспечивается автоматический сбор и
обработка позиций судов и промысловой отчетности. На основе поступающей информации формируются выходные формы и другие аналитические материалы, позволяющие решать широкий комплекс
задач по управлению рыболовством, в т. ч. осуществлять контроль местонахождения и промысловой
деятельности судов, следить за полнотой и достоверностью судовой промысловой отчетности.
Реализуемые технологии мониторинга
Стандартная схема мониторинга на базе спутниковой системы связи Inmarsat выглядит следующим образом (рис. 1):
И н ф о р м а ц и о н н ы е узл ы
6
1
2
7
7
4
3
4
5
Ц е н тр м о н и то р и н га
14
Рис.1.
Стандартная схема мониторинга на базе
спутниковой системы связи Inmarsat:
c – навигационный спутник NAVSTAR;
d – спутник связи Inmarsat-C;
e – станция спутниковой связи Inmarsat-C/GPS;
f – береговая земная станция (БЗС) спутниковой
системы Inmarsat;
g – локальная сеть центра мониторинга рыболовства;
h – локальная сеть пользовательского информационного узла;
i – рабочая станция пользователя
Вестник Камчатского государственного технического университета
На всех судах, включенных в систему мониторинга, устанавливаются технические средства контроля (ТСК) – станции связи Inmarsat-C/GPS. ТСК, используя сигналы навигационных спутников,
определяют координаты судна и направляют их через спутник на береговые земные станции (БЗС)
системы Inmarsat. БЗС выступают как ретранслятор и информацию о позициях судов по наземным
каналам связи (закрытые сети с протоколом Х.25 и сеть Интернет) направляют в центр мониторинга.
Кроме данных о позиционировании, на судне готовится суточная промысловая отчетность и таким же
путем отправляется в центр мониторинга. Отличие в том, что координаты формируются без вмешательства экипажа судна, а при подготовке суточного отчета могут быть внесены умышленные или
неумышленные субъективные искажения. Центр мониторинга обрабатывает всю поступившую информацию, анализирует её полноту, достоверность, согласованность с данными других источников
и результаты направляет пользователям на информационные узлы либо отдельным пользователям.
По результатам контроля качества информации или несоответствия действий судна правилам рыболовства и ограничениям на промысел выдаются управляющие решения о дополнительных проверках,
остановке промысла, наложении штрафа и других санкциях. Управляющая информация спутниковыми или другими средствами связи передается на патрульное рыбоохранное судно или самолет, которые, взаимодействуя между собой, планируют и осуществляют рыбоохранные мероприятия. Дополнительно через наземные каналы, БЗС, спутники связи Inmarsat, ТСК осуществляется управление
режимом мониторинга и обратная связь с судами в части передачи им служебной информации.
Информационная система мониторинга рыболовства
Основной целью информационной системы мониторинга рыболовства (ИСР), функционирующей
в КЦСМ, является обеспечение эффективного государственного управления использованием водных
биоресурсов в интересах обеспечения экономической безопасности Российской Федерации, рационального использования, изучения и сохранения рыбных запасов.
Географическими районами действия ИСР являются внутренние морские воды, территориальное
море, континентальный шельф, исключительная экономическая зона Российской Федерации Дальневосточного бассейна, морские акватории, находящиеся за пределами юрисдикции Российской Федерации.
Объектами контроля являются российские суда на морских акваториях и иностранные суда в исключительной экономической зоне Российской Федерации.
ИСР предназначена для мониторинга рационального использования водных биоресурсов на основе непрерывного наблюдения и контроля за деятельностью промысловых судов. Решение данной
задачи обеспечивается путем наблюдения за местоположением и промысловой деятельностью судов.
Данные ИСР позволяют оперативно отслеживать реализацию судовых квот, интенсивность промысла
и его влияние на состояние рыбных запасов.
ИСР разработана как комплексная информационная система и построена на принципах преемственности и естественного развития существующих отраслевых информационных систем с учетом
приведения в соответствие с новыми национальными и международными правилами и нормами.
Система создана путем вертикальной и горизонтальной интеграции этих систем в единую отраслевую информационно-аналитическую систему с максимально возможным использованием существующих геоинформационных технологий и аппаратно-программных решений.
Единое информационное пространство системы:
– базируется на комплексном подходе к методам и средствам сбора информации, совместной
обработки и анализа однородных данных, получаемых от спутниковых средств позиционирования
и региональных информационных центров;
– формируется за счет использования существующих баз данных, программного обеспечения
путем создания единой технологии телекоммуникационного обмена информацией между центром
мониторинга и пользователями системы на базе нормативно-правовых решений, регламентирующих
их функционирование;
– открыто для расширения перечня пользователей и набора предлагаемых им услуг;
– обеспечивает всем пользователям санкционированный доступ к информации при условии соблюдения требований системной дисциплины использования единого информационного ресурса.
Программное обеспечение ИСР учитывает неравномерность получения исходных данных с использованием таких методов и средств обработки, как:
– накопление и хранение асинхронных (и периодически поступающих) данных;
– комплексная обработка, сопоставление и согласование однородных данных, полученных из
различных источников.
Реализация современных геоинформационных технологий системы основана на программном
продукте, обеспечивающем обработку и визуализацию данных мониторинга и решение прикладных
аналитических задач с использованием электронной картографии.
15
Информационные технологии в промышленном рыболовстве и судовождении
Формирование нормативно-справочных, учетно-отчетных объектно-ориентированных баз данных осуществляется на основе официальных документов, действующих форм отчетности, а также
формализованных и неформализованных сообщений, поступающих от зарегистрированных в системе
источников информации.
Задачи Камчатского центра мониторинга
Средствами ИСР обеспечивается информационная поддержка решения следующих взаимосвязанных задач:
– обеспечение безопасности мореплавания и предотвращение загрязнения окружающей среды;
– учет и анализ освоения квот водных биоресурсов;
– контроль за соответствием промысловой деятельности судов выданным разрешениям на промысел (только по иностранным судам);
– анализ и оценка показателей промысловой деятельности флота.
С учетом изложенных задач обеспечивается выполнение следующих функций:
– круглосуточный автоматизированный ввод и обработка данных о позициях и промысловопроизводственной деятельности судов в море, полученных по радио и спутниковым каналам связи
(Inmarsat-C/GPS и Argos);
– изменение интервала регулярной передачи данных о позиции судна на берег;
– запрос и получение данных о текущих позициях судов;
– распознавание и усвоение различных стандартов и форматов принимаемых данных;
– автоматизированное распределение информации с передачей ее пользователям;
– организация санкционированного доступа к базам данных пользователей;
– отображение дислокации судов на электронной карте;
– вывод обобщенной или выборочной информации о текущем состоянии процесса позиционирования судов.
Обеспечивается решение основных функциональных задач:
– прием и обработка данных мониторинга местонахождения и промысловой деятельности российских судов, а также иностранных судов, работающих в водах, находящихся под юрисдикцией России;
– организация и ведение оперативной и ретроспективной базы данных информационной системы мониторинга рыболовства (БД ИСР);
– обеспечение данными спутникового слежения за местонахождением и информацией о промысловой деятельности судов пользователей регионального и федерального уровня.
Центр осуществляет прием и обработку данных слежения за местонахождением судов от различных спутниковых систем (Inmarsat-C/GPS, Argos).
Для обеспечения ведения БД ИСР в Центре выполняются следующие работы:
– организация и поддержка в актуальном состоянии нормативно-справочной информации;
– приведение к единому формату и структуре данных спутникового слежения и судовых суточных донесений (ССД), поступающих из различных источников (спутниковые системы InmarsatC/GPS и Argos, радиоканалы), регулярное пополнение БД ИСР;
– обеспечение сохранности БД ИСР (реструктуризация, восстановление, копирование, тестирование, архивация);
– защита от несанкционированного доступа к БД ИСР (регистрация пользователей, присвоение паролей пользователям с учетом их полномочий и приоритетов, регистрация обращений к БД ИСР и т. д.).
Обеспечение данными спутникового слежения пользователей различных ведомств регионального
и федерального уровней осуществляется по согласованным и утвержденным схемам. Для информационного обслуживания пользователей в Центре выполняются следующие работы:
– согласование с пользователями состава показателей и регламента обмена информацией (соглашения об информационном обмене утверждаются Госкомрыболовством России);
– подготовка и реализация обращений к БД ИСР, проведение расчетов;
– анализ результатов расчетов и подготовка информационно-аналитических материалов;
– технологическая поддержка телекоммуникационной среды для взаимодействия с пользователями;
– контроль и анализ регламентного обслуживания пользователей;
– постоянное информационное взаимодействие с управлениями рыбводов, государственными
администрациями портов, с департаментами (комитетами) по рыболовству органов субъектов Российской Федерации, региональными информационными центрами, радиоцентрами, научноисследовательскими организациями для обеспечения решения задач мониторинга.
Центр обеспечивает взаимодействие между промысловыми судами, судовладельцами и пользователями информационного ресурса системы мониторинга рыболовства.
16
Вестник Камчатского государственного технического университета
В соответствии с требованиями системы мониторинга все суда должны быть оснащены техническими средствами контроля (ТСК), которые представляют собой либо судовые спутниковые приемопередающие станции Inmarsat-C, либо трансмиттеры спутниковой системы Argos.
Центр обеспечивает прием информации по всем предназначенным для этого каналам связи.
В Центре осуществляется обработка входящей информации, включающая контроль качества поступивших данных и формирование БД. Также средствами Центра обеспечивается доступ пользователей
к информационным ресурсам системы.
Пользователи могут работать с информационным ресурсом системы либо по технологии удаленного доступа, т. е. путем выхода на Web или FTP-сервер, либо подключиться к выходному, уже обработанному и обобщенному информационному потоку через сеть Интернет, X.25 или другие закрытые
каналы и на основании полученных данных вести анализ собственными программными средствами.
Сведения о прохождении тестирования и включении
технических средств контроля судов Дальневосточного бассейна
в отраслевую систему мониторинга по состоянию на 27 июня 2002 г.
2305
548
366
268
51
109
17
50
34
17
13
170
592
21
37
17
211
567
211
567
211
566
Прошли
тестирование
и включены в ОСМ
2327
564
368
271
51
109
17
50
34
17
13
170
592
21
37
17
Подано заявок
2398
566
407
286
57
111
16
51
34
17
13
171
592
21
38
17
Всего
Прошли
тестирование
и включены в ОСМ
Дальневосточный бассейн, в том числе:
Приморский край
Сахалинская обл.
Камчатская обл.
Магаданская обл.
Хабаровский край
Чукотский АО
Корякский АО
Западные регионы
Иностранные суда, в т.ч. США
Польша
Южная Корея
Япония
Китай
Северная Корея
Украина
Латвия
Краболовные суда
ARGOS
Подано заявок
Регион
Всего
Общее количество промысловых судов
2001 г.
2002 г.
2500
559
471
300
51
115
11
49
32
14
13
178
600
21
45
15
5
218
580
2433
554
445
285
51
115
11
50
32
14
13
178
600
21
45
15
5
218
580
2433
554
445
285
51
115
11
50
32
14
13
178
600
21
45
15
5
218
580
Результаты работы Центра
Общее количество контролируемых судов, включенных в систему мониторинга, составляет
2 500 единиц. По ряду причин (в основном неэкплуатационное состояние судов) 67 судов персонального учета (т. е. судов, которые должны быть оснащены ТСК) не подали заявки на включение в систему мониторинга, из них 15 судов не подают судовые суточные донесения. В первой половине 2002 г.
всего на промысле находилось 1 236 российских и 137 иностранных судов.
Один из видов информационного обеспечения пользователей данными мониторинга осуществляется путем организации доступа к ресурсам ИСР через каналы Интернет. Помимо этого, КЦСМ обеспечивает подготовку ответов на запросы от 50-ти рыбоохранных и правоохранительных организаций,
а также на запросы от судовладельцев.
Прямое официальное взаимодействие осуществляется:
– с бассейновыми отделениями рыбводов;
– с СВРУ ФПС и морскими инспекциями;
– с ТОРУ ФПС и морскими инспекциями;
– с ГА МРП;
17
Информационные технологии в промышленном рыболовстве и судовождении
– с спецморинспекциями;
– с таможенными управлениями;
– с органами ФПС и МВД;
– с другими уполномоченными организациями.
Данные информационной системы мониторинга рыболовства о местонахождении судов и их
промысловой деятельности используются как доказательная база при расследованиях органами ФПС,
ФСБ, МВД (Камчатской и Сахалинской области), таможенной и налоговой службами, прокуратурой.
В качестве примеров информационного взаимодействия с рыбоохранными и правоохранительными организациями можно привести следующие работы:
– по запросам управлений Министерства РФ по налогам и сборам по Камчатской области и Хабаровскому краю были подготовлены электронно-картографические изображения траекторий судов с детализацией позиций и указанием расстояния в милях до ближайшей точки береговой полосы. В результате были выявлены факты неучтеного в налоговых отчислениях улова в двенадцатимильной зоне;
– совместно с Петропавловск-Камчатской таможней проведены расследования по нарушениям
таможенного законодательства судами на основе сверки картографического материала и фактов нахождения судов-нарушителей в двенадцатимильной зоне;
– совместно с Сахалинской государственной морской инспекцией были произведены расследования фактов непредоставления информации о прохождении морских контрольных пунктов при входе/выходе в/из ИЭЗ РФ японскими сайроловными судами. В качестве материалов для расследования
были подготовлены данные спутникового позиционирования, картографические материалы с указанием контрольных точек и аналитические справки о качестве промысловой отчетности;
– организована информационная поддержка (прямое оперативное информирование) двух операций по поиску и захвату браконьерских судов.
Аналитическая работа органов рыбоохраны по повышению качества промысловой отчетности
выявила большое количество нарушений по сокрытию уловов и других правил рыболовства. За счет
дополнительной информации системы мониторинга общее число вскрытых нарушений увеличилось.
Санкции, примененные к нарушителям, оказали сдерживающее воздействие на незаконный промысел. Выполняя работы по сбору информации и контролю качества данных, Центр фиксирует нарушения по неисполнению требований системы мониторинга и передает их в органы рыбоохраны для последующего применения санкций к нарушителям. Нарушения в основном связаны:
– с отключением ТСК в море;
– с отсутствием уведомлений о неисправности ТСК;
– с отключением ТСК в порту без уведомления;
– с неподачей ССД;
– с искажением данных в ССД.
В большинстве случаев органы рыбоохраны приостанавливали промысел судов-нарушителей до устранения нарушений. На основе данных системы мониторинга или других косвенных данных (например,
наблюдение в море с патрульного судна или самолета) в ряде случаев были вскрыты факты браконьерства.
В этом случае данные системы мониторинга использовались как доказательная база. На запрос о
подтверждении информации мониторинга диспетчерская служба Центра давала справки и материалы
для проведения предварительных расследований или подтверждающие факт нарушения.
Заключение
В заключении можно сделать следующие выводы:
1. Спутниковые системы являются единственным надежным средством контроля за перемещением
рыболовных судов. Все другие используемые методы контроля позволяют делать это менее эффективно и
за большую цену. Преимущества спутниковых технологий наблюдения необходимо также оценивать в
рамках слияния с теми традиционными средствами контроля, которые будут получены благодаря улучшению воздушного и морского наблюдения. Информация, передаваемая через спутник, увеличит эффективность развертывания воздушных или морских патрулей. Инспектирование рыболовных судов потребует меньше времени. Вполне реалистично можно рассматривать увеличение эффективности морского
наблюдения на 20 %, ежегодная оценочная стоимость которого колеблется около 300 тысяч долларов на
одно судно. Поэтому ввод системы спутникового наблюдения вполне оправдан. С точки зрения технического оснащения, системы наблюдения с использованием спутников развиваются, и, возможно, в ближайшем будущем появятся новые решения. Свое развитие может получить работа, производимая с судов
в Интернете или с серверами баз данных, находящихся на берегу. Исследуются подходы по соединению
ТСК с датчиками, помещенными на лебедках судов, которые позволят контролирующим органам обеспечивать более углубленное наблюдение. В ряде стран и у нас в России энергично изучается потенциал методов аэрокосмической съемки с целью наблюдения за рыбным промыслом.
18
Вестник Камчатского государственного технического университета
2. Камчатский центр мониторинга выполняет возложенные на него функции. Централизация сбора информации о позициях в один Центр обеспечила однозначный учет и тестирование ТСК. Нет никакой необходимости создавать аналогичные центры по бассейну, т. к. это может привести только к
путанице между регионами и ведомствами.
3. В настоящее время нормативные документы, касающиеся промысловой отчетности, устарели и
не соответствуют нынешней системе управления рыбными запасами. Поэтому всю нормативную базу
в части ИСР необходимо согласовать и развить применительно к новым задачам мониторинга. Нормативные документы, вышедшие по мониторингу в конце 1999 г., нуждаются в совершенствовании.
Литература
1. Проценко И.Г. Информационная система мониторинга рыболовства // Рыбное хозяйство. –
2001. – Спец. вып. – С. 3–18.
2. Проценко И.Г. Возможности организации отраслевого спутникового мониторинга // Рыбное
хозяйство. – 2001. – Спец. вып. – С. 35–41.
3. Белов В.С., Проценко И.Г. Информационно-аналитическая компьютерная система учета
использования водных биоресурсов // Рыбное хозяйство. – 1993. – № 5. – С. 8–40.
4. Проценко И.Г. Компьютерная информационно-аналитическая система «Рыболовство». – М.:
ВНИЭРХ, 1995. – (Сер. Рыбохоз. исп. ресур. Мир. океана: Обзор. информ. Вып. 1).
УДК 658.012.011.56:639.2.055
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СПУТНИКОВОЙ НАВИГАЦИИ
ПРИ МОНИТОРИНГЕ ПРОМЫСЛОВЫХ СУДОВ
В.Ю. Резников (ФГУП «Камчатский центр связи и мониторинга»,
г. Петропавловск-Камчатский)
В статье дан обзор основных спутниковых систем навигации, действующих в настоящее
время, таких как NAVSTAR, ГЛОНАСС и другие, принципы их работы, структура, история создания, а также возможность их использования для целей мониторинга рыбопромысловых судов.
There is a review of operative basic navigation satellite systems as NAVSTAR, GLONASS and others, specifications of their functioning, structure, history of foundation, and also capability of their use
for monitoring purposes in this article.
Первые системы спутниковой навигации создавались исключительно для военных нужд, однако
в настоящее время они широко применяются в гражданских целях. С их помощью осуществляется
контроль за транспортными и грузовыми перевозками (автомобильными, железнодорожными, морскими), отслеживается местонахождение потерянных или угнанных транспортных средств, ведется
поиск людей в чрезвычайных ситуациях, проводятся исследования миграции животных. Системы
спутниковой навигации являются неотъемлемой частью радиооборудования судов рыбопромыслового флота. Так, в соответствии с положениями Главы V «Безопасность мореплавания» Конвенции
СОЛАС, безусловным требованием для судов является дополнительное оснащение (независимо от
размера) приемниками глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС) или другой радионавигационной системы, действующей в районе плавания.
Существуют два основных способа определения местоположения. Первый предполагает наличие
у абонента стандартной навигационной аппаратуры, которая позволяет с заданной точностью определять координаты. Второй метод основан на определении координат по доплеровскому сдвигу частоты и не требует использования специальной навигационной аппаратуры.
Системы космической радионавигации NAVSTAR (Navigation system with timing and ranging –
Навигационная система на основе временных и дальномерных измерений) в США и ГЛОНАСС (Глобальная навигационная спутниковая система) в России создавались в первую очередь для координатно-временного обеспечения войск и военной техники. Однако российская система так и осталась засекреченной и к тому же, в силу трудностей с финансированием, она в настоящее время
укомплектована неполностью.
Большинство доступных на рынке приемных систем способно работать с сигналами обеих систем. Постановлением правительства РФ от 3 августа 1999 г. № 896 предложено использовать приемники ГНСС, обеспечивающие совместное использование систем ГЛОНАСС и NAVSTAR.
19
Информационные технологии в промышленном рыболовстве и судовождении
Спутниковая навигационная система NAVSTAR
Первый американский спутник был запущен в феврале 1978 г. Штатная орбитальная группировка
системы разворачивалась с июня 1989 г. по март 1994 г.: на орбиту были выведены 24 космических аппарата Block II. Система была разработана по заказу Министерства обороны США, а спутники изготовила компания Rockwell International. На это было потрачено 14 миллиардов долларов. Окончательный
ввод в эксплуатацию состоялся в 1995 г., тогда и появилась аббревиатура GPS (Global Positioning
System – Система глобального позиционирования). Термин «позиционирование» – более широкий по
отношению к термину «определение местоположения». Позиционирование, помимо определения координат, включает в себя и определение вектора скорости движущегося объекта, а также точное время.
Эксплуатация и обслуживание осуществляются Министерством обороны США. Система используется во всем мире для решения как военных, так и гражданских навигационных задач.
За прошедшее с тех пор время система GPS получила распространение по всему миру, а ее приемники стали продуктом массового спроса. Сегодня существует уже несколько тысяч различных моделей
GPS-приемников, которые выпускаются сотнями компаний. Области их применения настолько многообразны, что их невозможно охватить в одной статье. Перспективы расширения коммерческого рынка навигационной аппаратуры оказались столь впечатляющими, что американцы начали активно модифицировать систему GPS под гражданские нужды, а недавно наконец отменили режим селективного доступа,
который специально ухудшал стандартную точность определения местоположения примерно на порядок.
В настоящее время в работе находятся 28 спутников NAVSTAR, равномерно распределенных по
шести орбитам с высотой 20 350 км над поверхностью Земли. Для полнофункциональной работы
достаточно 24 спутников в единой сети, расположенных таким образом, чтобы на одной орбите находилось не менее четырех спутников, а плоскости их орбит были бы разнесены по долготе на 60° с наклоном к плоскости экватора 53°. Остальные спутники используются для страховки и замены выходящих из строя сателлитов. Этим достигается повсеместный гарантированный прием сигнала
от нескольких спутников в любое время суток. Каждый спутник весит более 900 кг, имеет длину около
5 м (с раскрытыми солнечными батареями) и движется с постоянной скоростью около 3 км/с, совершая
два полных оборота вокруг планеты менее чем за 24 часа. Спутник рассчитан на полнофункциональную работу в течение примерно десяти лет. Новые сателлиты изготавливаются и запускаются на орбиту
по мере необходимости. Работа всей системы спланирована и профинансирована минимум до 2006 г.
GPS-спутник передает сигнал на двух частотах (L1 – 1575,42 МГц и L2 – 1227,6 МГц), мощность
радиопередатчика – не более 50 Вт, в котором генерируются: псевдослучайный код (PRN, pseudorandom code), эфемериды (точные данные об орбите спутника), прогноз задержки распространения
радиосигнала в ионосфере (так как скорость света меняется при прохождении разных слоев атмосферы), а также сведения о работоспособности спутника (так называемый альманах, содержащий обновляющуюся каждые 12,5 мин информацию о состоянии и орбитах всех спутников).
Псевдослучайный код служит для идентификации передающего спутника, при этом вычисляется время
прохождения сигнала от спутника до приемника. Все они пронумерованы от 1 до 32, и этот номер виден на
экране GPS-приемника во время его работы. Псевдослучайный код идентифицирует сам спутник.
Данные эфемерид необходимы для коррекции при вычислении точного положения спутника (так
как из-за неправильной формы Земли его отклонения от «идеальной» орбиты могут быть довольно
существенными), к тому же эфемериды содержат такую важную информацию, как состояние спутника (рабочее или нерабочее), текущую дату и время (которое, собственно, и используется для определения местоположения). Контролем за этими данными на Земле занимается наземная система управления и контроля (Operational Control System). Главная станция управления и контроля (Consolidated
Space Operations Center) находится в г. Колорадо-Спрингс (США). Центр собирает и обрабатывает
данные со станций слежения, вычисляет и предсказывает эфемериды спутников, а также параметры
хода часов. Станции слежения ведут постоянные наблюдения за всеми спутниками системы и передают данные об их орбитах в центр управления, где вычисляются уточненные элементы траекторий
и поправки спутниковых часов. Указанные параметры вносятся в альманах и передаются на спутники, которые, в свою очередь, отсылают эту информацию всем работающим приемникам. Затем данные передают на одну из трех наземных станций для закладки информации в память бортовых компьютеров. Пять станций слежения за спутниками, равномерно расположенные по всему миру,
каждые полторы секунды определяют дальность до всех находящихся над горизонтом спутников.
Данные альманаха позволяют определить, где в течение дня должны находиться все GPSспутники, чтобы, «поймав» один из них, ваш GPS-приемник быстро нашел и другие. Таким образом,
каждый спутник передает сигнал, который, упрощенно говоря, означает следующее: «Спутник такойто, находящийся там-то, послал сигнал в точное время t».
20
Вестник Камчатского государственного технического университета
Рис.1. Упрощенная схема функционирования GPS
Вся собранная сетью информация достигает вашего GPS-приемника, который использует ее для корректировки текущей даты и времени, вычисляя разницу между моментом отправки сигнала с передающего устройства и временем получения его на Земле приемником. Разница между двумя этими величинами
и есть расстояние от приемника до спутника. Эти рассчитанные самим приемником данные позволяют
ему определить ваше местоположение, а также высчитать скорость и направление движения.
Такое измерение расстояния до группы спутников называется спутниковой трилатерацией. Так, если
получен сигнал от трех спутников, находящихся в разной степени удаленности от нашей планеты, можно
определить широту и долготу, в этом случае координаты объекта называются двухмерными. Если же сигнал получен от четырех и более спутников, то можно определить еще и высоту, на которой пребывает приемник, и тогда координаты уже считаются трехмерными. Однако если первые две величины будут крайне
точны, то третья не всегда бывает верной: средняя погрешность составляет от 30 до 50 метров.
Во многих случаях в зоне видимости одновременно будет 5 или 6 спутников, а на коротких промежутках времени можно будет одновременно наблюдать до 8–10 ИСЗ. Если приемник «увидит» три
спутника, он определит свои долготу и широту (так называемая двухмерная фиксация) (рис. 2), а если
в зоне видимости окажутся четыре или более орбитальных объекта, то навигатор укажет еще и высоту над уровнем моря. При движении он может быстро рассчитать мгновенную скорость и курс.
Каждый спутник несет на борту атомные эталоны времени/частоты, обеспечивающие наносекундную точность хода бортовых часов (это, кстати, самое дорогое его оборудование). Понятно, что
установить подобный прибор в каждый приемник невозможно. Поэтому для коррекции ошибок в определении координат из-за погрешностей встроенных в приемник часов используется некоторая избыточность данных, необходимых для однозначной привязки к местности.
Важной частью любого GPS-навигатора является обычный радиоприемник, работающий на фиксированной частоте и принимающий сигналы от спутника. Способ радиообмена между спутниками и
GPS-премником достаточно необычен. Дело в том, что все спутники вещают одновременно на одной
и той же частоте. Для того чтобы GPS-приемник мог определить, от какого конкретно спутника исходит
данная информация, бортовые передатчики посылают в составе своего сигнала стандартный идентификационный код, который сравнивается с кодами, находящимися в памяти приемника. Поэтому, независимо
от того, сколько и каких спутников находится в поле зрения приемника, последний может без труда идентифицировать источники сигналов. Такой подход не только упрощает схему GPS-приемника, но и, несмотря на слабый радиосигнал, позволяет использовать малогабаритные приемные антенны.
Изначально система GPS, как уже говорилось выше, была создана для военных целей. Министерством обороны США было установлено ограничение по точности определения координат для гражданских служб и частных пользователей, которое получило название Selective Availability (SA – избирательный доступ). GPS стандартной точности была предназначена для граждан (код L1). Точность
передачи сигнала при этом регулировалась так называемой дифференциальной коррекцией, и погрешность в 100 метров считалась вполне нормальным явлением. Использовалось два принимающих
устройства: одно, координаты которого были точно известны, определяло погрешности спутникового
сигнала и выполняло роль базовой станции, другое, являясь как бы передвижным приемником, суммировало данные в точках с неизвестными координатами. Затем данные сравнивались и обрабатывались для получения конечных результатов. GPS высокой точности использовалась в военных целях
21
Информационные технологии в промышленном рыболовстве и судовождении
(код L2). Однако 1 мая 2000 г. L2 был открыт и для гражданского пользования. Таким образом, сегодняшние бытовые GPS-устройства могут определять координаты с точностью до 5 метров.
Рис. 2
Президент США Клинтон объявил о том, что с 1 на 2 мая 2000 г. Пентагоном отключен режим
селективного доступа (Selective Availability – SA), ограничивающий точность определения места
гражданских пользователей спутниковой радионавигационной системы GPS. Режим SA был введен
14 февраля 1989 г. при запуске спутников серии Block II и отключался в период проведения войны в
Персидском заливе с августа 1990 г. по 1 июля 1991 г.
Таким образом, в соответствии с директивами президента от 28 марта 1996 г. по прекращению
ухудшения гражданского и коммерческого обслуживания пользователей системы GPS, ликвидирован
последний недостаток системы и точность навигационной информации увеличилась в десять раз.
Однако правительство США оставляет за собой право «в случае угрозы национальной безопасности США вводить режим селективного доступа на региональном уровне». Правительство США
считает, что исключение режима SA значительно расширит использование системы GPS и увеличит
рынок сбыта аппаратуры пользователей (АП). В настоящее время в мире насчитывается около
4 миллионов пользователей системы GPS. Ожидается, что в связи со значительным улучшением точностных характеристик системы в последующие три года количество пользователей увеличится примерно в два раза, а рынок АП системы GPS возрастет с 8 до 16 миллиардов долларов.
Несмотря на значительное улучшение характеристик системы GPS, планируется продолжение
работ по усовершенствованию дифференциальных подсистем, а также введение двух дополнительных гражданских сигналов.
В то время как американский президент в виде первомайских подарков делает данные GPS открытыми всему человечеству, в России знание своих координат с точностью до 100 метров является
государственной тайной (со всеми вытекающими отсюда последствиями). Это запрет на свободную
продажу и использование систем спутниковой навигации на территории России, который действует
уже несколько лет и проходит по линии двух весьма серьезных ведомств. Первое – Госсвязьнадзор.
В 1996 г. эта организация издала специальный документ под названием «Особые условия приобретения радиоэлектронных средств и высокочастотных устройств», который сразу же был утвержден постановлением правительства РФ № 832 от 17 июля 1996 г. Согласно «Особым условиям …», ввоз
и приобретение систем радионавигации и радиоопределения на территории России осуществляется
только на основании разрешений, выдаваемых Главным управлением государственного надзора за
связью в Российской Федерации или его территориальными отделениями. Получил разрешение –
ввози, продавай или покупай. Но вот для того, чтобы спутниковой навигацией можно было еще
и пользоваться, требуется лицензия. Дело в том, что любой автомобильный навигационный комплекс
оказывается полезным только при наличии компьютерной карты. Она является основным носителем
графической информации и благодаря программному обеспечению позволяет «привязывать» хитросплетения виртуального пространства к реальному рельефу местности. Чем карта подробнее – тем
лучше. Вот здесь-то и кроется второй подводный камень.
Согласно Закону «О государственной тайне», Федеральной службой геодезии и картографии РФ
был разработан развернутый перечень сведений, подлежащих засекречиванию по линии этого ведом22
Вестник Камчатского государственного технического университета
ства. Секретными, в частности, являются: «...сведения о рельефе местности, отображенные на любом
носителе, с точностью и подробностью нанесения на карты масштабов 1:50 000 и крупнее, на площади, превышающей 250 кв. км; координаты географических объектов, определенные с точностью 30
метров и выше; топографические планы масштабов 1:50 000 и крупнее в местных системах координат; сведения, содержащие координаты режимного объекта». Информация о координатах географических объектов, полученная с точностью от 30 до 100 метров, считается служебной и предназначена
для ограниченного распространения. Поэтому любой вид деятельности, так или иначе связанный с
определением координат геодезических пунктов и точек земной поверхности с использованием автономных средств определения (геодезических спутниковых приемников), подлежит обязательному
лицензированию. Контроль за выдачей лицензий производят органы государственного геодезического надзора, входящие в состав Роскартографии. Они же подготовили соответствующую документацию для таможенных служб. Теперь любое радиоэлектронное средство измерений, позволяющее определять координаты точек земной поверхности по сигналам спутниковых навигационных систем
GPS (США), ГЛОНАСС (Россия) и других с точностью 100 метров и выше, может быть ввезено только по предъявлении таможенникам лицензии.
В этом месте нужно перейти и к недостаткам GPS, которых, как и в любой технологии, всегда
с избытком хватает. Во-первых, геометрия спутников сильно влияет на точность данных. Для достоверности данных необходимо, чтобы спутники располагались не на одной линии, а в разных сторонах
горизонта – на юге, западе, севере, востоке.
Во-вторых, система GPS подвержена специфическим ошибкам при прохождении сигнала. Явление это называется многолучевой интерференцией. Это означает, что сигнал не любит складок рельефа и прочих препятствий. В естественных условиях за препятствие сойдет гора, в городе – высокие
здания. Чем дольше задерживается сигнал, тем большая погрешность образуется, поскольку приемник принимает создавшуюся «виртуальную удаленность» спутника за настоящую.
Сигнал также может задерживаться из-за атмосферной нестабильности (при прохождении сигнала через ионосферу и тропосферу скорость его распространения становится меньше скорости света)
или сбоя часов принимающего устройства, ведь код должен генерироваться одновременно и на передающем, и на принимающем устройстве. Если точный ход часов нарушен (а случается это только
у принимающего устройства, поскольку на спутнике установлены атомные высокоточные часы),
то может возникнуть погрешность.
Спутниковая навигационная система ГЛОНАСС
Российский аналог американской системы позиционирования NAVSTAR называется ГЛОНАСС
(Глобальная навигационная спутниковая система). Первый спутник в рамках этой программы был
запущен в 1982 г. Предполагалось использование такого же числа спутников и на такой же высоте
орбит, что и в американской системе NAVSTAR. Была заявлена точность 10 метров по каждой из координат и 0,05 м/с по каждой компоненте скорости. Спутники ГЛОНАСС, весящие по 1 400 кг, доставлялись на орбиту 4-ступенчатыми носителями «Протон» по три штуки за запуск. Система
ГЛОНАСС является основой навигационного обеспечения военно-промышленного комплекса и элементом Российского радионавигационного плана. Система ГЛОНАСС применяется для ориентирования кораблей и раннего обнаружения воздушных целей, а также для синхронизации в системах сотовой связи стандарта CDMA на территории РФ.
Из 24 аппаратов в работе находится только 18 спутников, у 15 из них истек гарантийный ресурс.
Решено изготовить шесть новых аппаратов. Три из них были запущены 30 декабря 1998 г. с космодрома Байконур. Новые спутники смогут работать примерно три года. Для пополнения спутниковой
группировки российской глобальной навигационной системы ГЛОНАСС в 2001 г. планируется осуществить два запуска ракеты-носителя «Протон» с шестью спутниками «Ураган».
Из-за неполного состава система не обеспечивает единого навигационного поля, в связи с чем
существенно снижена ее доступность. Это, в свою очередь, привело к тому, что количество гражданских пользователей системы ГЛОНАСС составляет лишь доли процента.
В Научно-производственном объединении прикладной механики в г. Железногорске (Красноярская область) разрабатываются космические аппараты (КА) нового поколения с повышенным гарантийным ресурсом для спутниковой системы ГЛОНАСС. В настоящее время на предприятии завершается изготовление опытного образца КА нового поколения ГЛОНАСС-М со сроком службы 5–7 лет.
При наличии финансирования начало его эксплуатации запланировано на 2001–2002 гг. Работы по
созданию спутника следующего поколения данной серии ГЛОНАСС-К, с гарантийным ресурсом
10 лет и уменьшенной в два раза массой, находятся на этапе предпроектных исследований. Его запуск запланирован на 2003–2004 гг.
23
Информационные технологии в промышленном рыболовстве и судовождении
Повышение гарантийного ресурса спутников снизит ежегодные затраты на эксплуатацию и обслуживание системы ГЛОНАСС. В настоящий момент на поддержание системы ГЛОНАСС минимально необходимые ежегодные затраты составляют около 1,5 миллиардов рублей, однако из госбюджета выделяется до 50 % этой суммы (для сравнения: на американскую систему GPS ежегодно
расходуется 237,9 миллионов долларов). В связи с недостатком бюджетных средств Росавиакосмос
предпринимает меры по финансированию системы ГЛОНАСС из внебюджетных источников, привлекая для этого некоторые государства Европы, а также Китай.
Для определения трехмерных координат, скорости и времени потребитель использует навигационные сигналы, постоянно передаваемые спутниками ГЛОНАСС. Каждый спутник ГЛОНАСС передает
навигационные радиосигналы двух типов: стандартной точности (СТ) и высокой точности (ВТ). Сигнал
СТ передается в диапазоне L с использованием принципа частотного разделения каналов. Это означает,
что каждый спутник ГЛОНАСС передает навигационный сигнал на собственной несущей частоте:
L1 = 1602 MHz + n0,5625 Mhz,
где n – номер частотного канала (n = 0, 1, 2, ...).
Спутники, которые находятся в противоположных точках плоскости орбиты (антиподальные
спутники), могут передавать навигационные сигналы на одной и той же несущей. Одновременное
нахождение антиподальных спутников в зоне видимости отдельного потребителя невозможно.
Навигационный приемник потребителя автоматически принимает сигналы не менее чем от четырех спутников ГЛОНАСС и проводит измерения псевдодальностей до этих спутников и скоростей
их изменения. Одновременно с проведением измерений из сигналов спутников выделяются и обрабатываются навигационные сообщения. В результате совместной обработки в процессоре приемника
измерений и навигационных сообщений вычисляются три координаты потребителя, три составляющих скорости его движения и точное время.
Навигационное сообщение передается в составе навигационного радиосигнала и включает в себя:
1) спутниковые эфемериды, частотно-временные поправки к бортовой шкале времени относительно
системного времени ГЛОНАСС и UTC(SU); 3) метки времени; 4) альманах системы.
Эфемериды представляют собой точные координаты (x, y, z) и их первые и вторые производные,
которые описывают положение спутника в геоцентрической системе координат ПЗ-90.
Альманах содержит информацию о всех спутниках системы, а именно: кеплеровы элементы,
грубые значения временных поправок к бортовому времени относительно системного и признаки
исправности/неисправности каждого спутника.
Управление орбитальной группировкой ГЛОНАСС осуществляет наземный комплекс управления
(НКУ). Он включает в себя Центр управления системой (ЦУС) (г. Голицыно-2, Московская область) и
сеть станций слежения и управления, рассредоточенных по всей территории России. Наземный комплекс
управления осуществляет сбор, накопление и обработку траекторной и телеметрической информации о
всех спутниках системы и выдачу на каждый спутник команд управления и навигационной информации.
Траекторная информация периодически калибруется с помощью лазерных дальномеров (квантооптических станций) из состава НКУ. Для этого спутники ГЛОНАСС оснащены лазерными отражателями.
Для правильного функционирования системы очень важна синхронизация всех процессов. Для
этого в составе НКУ предусмотрен центральный синхронизатор (ЦC), который представляет собой
высокоточный водородный стандарт времени/частоты. ЦС синхронизирован с национальным эталоном времени/частоты UTC(SU).
Европа построит собственную GPS
Министры транспорта стран Евросоюза одобрили выделение средств на создание собственной системы глобального позиционирования – Galileo. Европейская система может стать серьезным конкурентом
американской GPS, широко используемой во всем мире. Несмотря на то что система Galileo способна
принести странам – участницам проекта серьезную экономическую выгоду, основным аргументом при ее
запуске изначально выдвигалась необходимость военно-политической, экономической и технологической
независимости Европы от своего главного партнера и союзника – США. Ранее представитель Пентагона
лично обратился к министрам обороны стран – участниц проекта с просьбой приостановить работы по созданию Galileo. Достоверно неизвестно, что же повлияло на положительное решение проблемы, но так или
иначе собственная система глобального позиционирования в Европе будет построена уже к 2008 г. При
этом Galileo превосходит по своим показателям существующую американскую систему, что увеличивает
шансы Galileo на экономический успех. Финансирование проекта на первом этапе будут осуществлять министерства транспорта стран Евросоюза (392 миллиона долларов) и Европейское космическое агентство
(485 миллионов долларов). Общая же стоимость проекта оценивается в 3,24 миллиарда долларов.
24
Вестник Камчатского государственного технического университета
Однако в связи с исключением режима SA в системе GPS определенные проблемы возникают у
разработчиков европейской системы Galileo. К тому времени, когда будет создана система Galileo,
рынок глобальной навигации будет занят системой GPS, обеспечивающей высокие точностные характеристики, а также разнообразную и доступную по цене аппаратуру пользователей.
Использование систем спутниковой навигации для целей мониторинга
Для осуществления позиционирования судов в системе мониторинга промышленного рыболовства используется в основном американская система навигации GPS, потому что практически на всех
рыбодобывающих судах установлены приемники системы GPS зарубежного производства. Более того, современные системы навигации интегрируются со спутниковыми средствами связи. Так, в системе мониторинга рыбопромыслового флота активно используется спутниковая система связи Инмарсат стандарта С, где навигационный приемник GPS встроен в приемо-передатчик судовой
спутниковой станции Инмарсат-С. Поэтому снимать координаты, курс, скорость судна, где установлена такая система, можно дистанционно, независимо от человеческого фактора.
Однако спутниковые системы связи на сегодняшний момент являются довольно дорогостоящими, и стоимость такой системы мониторинга является высокой. Кроме этого, использование только
одного вида связи – спутникового – не дает гарантии надежности всей системы.
Поэтому на ФГУП «Камчатский центр связи и мониторинга» ведутся теоретические и практические исследования возможности использования систем радиосвязи в ПВ/КВ-диапазонах для целей
мониторинга промышленного рыболовства. Большинство судов уже оснащено современным радиооборудованием ГМССБ (Глобальная Морская Система Связи при Бедствии и для обеспечения безопасности) морского района А2, где внедрены современные высоконадежные виды радиосвязи. В данных системах радиосвязи опять же используется спутниковая навигация.
Для системы мониторинга предлагается использовать судовые устройства ЦИВ (цифровой избирательный вызов) в составе ПВ/КВ-радиоустановок, являющихся частью радиооборудования, входящего
в ГМССБ, как определено в Главе IV Международной конвенции по охране человеческой жизни на море 1974 г. с Поправками 1988 г. (СОЛАС-74/88). В пакете обмена вызовами на национальных и международных частотах ЦИВ с целью установления связи общего назначения присутствует информация,
снятая с навигационного приемника, как указывалось выше, обычно это приемник GPS.
Внедрение системы мониторинга с помощью вышеуказанного оборудования позволит иметь альтернативный канал получения позиций с судов при выходе спутниковой системы связи, а также значительно сократить расходы на систему мониторинга в целом.
Литература
1. Резников В.Ю. Глобальная морская система связи при бедствии (ГМССБ). Информационная
система мониторинга рыболовства // Рыбное хозяйство. – 2001. – Спец. вып. – С. 19–25.
2. Автоматизация морской радиосвязи. Сб. науч.тр. ЦНИИМФ. – Л.: Транспорт, 1987. – 123 с.
25
Наука, техника и технологии рыбной отрасли
УДК 664.951
ЛИПИДОСТАБИЛИЗИРУЮЩИЕ КОМПОЗИЦИИ В ТЕХНОЛОГИИ
ХОЛОДИЛЬНОГО КОНСЕРВИРОВАНИЯ ПЕЧЕНИ ТРЕСКОВЫХ
В.Д. Богданов (КамчатГТУ), Д.Е. Зинюк (Дальрыбвтуз, г. Владивосток)
В период холодильного консервирования и последующего хранения мороженой печени тресковых в ее тканях развиваются химические и структурно-механические процессы. Первые связаны
с гидролитической и окислительной порчей липидов, вторые – с разрушением мест локализации
липидов и выделением свободного жира при последующем размораживании. На основании данных
исследования антиокислительных и криозащитных свойств некоторых химических веществ разработана комплексная липидостабилизирующая композиция для холодильного консервирования
печени тресковых.
During refrigerating conservation and the subsequent storage of a frozen liver in Theragra chalcogramma its fabrics chemical and structural - mechanical processes develop. The first are connected with
hudrolistic and oxidizing damage, the second - with destruction of places of lipid localization and allocation of free fat at the subsequent defreezing. On the basis of the research data of antioxidizing and crioprotectional properties of some chemical substances, the complex lipidostabilization composition for refrigeration of Theragra chalcogramma a liver is developed.
Общепринятым приоритетом технологии продукции из гидробионтов является комплексное использование сырья, основанное на всеобъемлющей информации о его составе и функциональнотехнологических свойствах, направленное на целевое изготовление пищевых продуктов, рациональную и полную переработку отходов. При этом непременным условием является экономическая целесообразность и экологическая безопасность технологии.
Количество печени, образующейся при разделке таких перспективных объектов промысла, как
минтай и треска, составляет от 2,2 до 9,0 % от массы рыбы. Химический состав печени варьируется
в пределах (%): вода – 12,0–84,0; белки – 8,0–28,3; липиды – 0,9–84,6; минеральные вещества –
0,4–4,2 [2]. Содержание ненасыщенных жирных кислот в липидах печени минтая по отношению
к их общему количеству составляет 81,3 %, причем 56,8 % приходится на жирные кислоты с одной
и двумя двойными связями, 24,4 % – на долю кислот с тремя и более связями [3]. Известно, эйкозапентаеновая и докозагексаеновая кислоты участвуют в регулировании обменных процессов, положительно воздействуют на иммунную систему организма, препятствуют развитию астматических и некоторых опухолевых процессов. Такой характер воздействия рыбных жиров, богатых
полиненасыщенными жирными кислотами, объясняется их участием в образовании простагландинов,
выполняющих в организме защитные функции [1]. Высокое содержание ω-3 жирных кислот в продуктах
питания – эффективное профилактическое средство тяжелых сердечно-сосудистых заболеваний.
Использование печени тресковых видов рыб в качестве сырья для производства пищевой продукции (консервов, формованных и паштетных изделий) ограничивается двумя факторами: узкой
специализацией современного рыбообрабатывающего флота и непродолжительным сроком хранения
свежей печени (не более 48 часов при 0 °С). Указанные технологии могут быть реализованы в основном в условиях плавбаз и не предусмотрены для судов-мультипроцессоров, преобладающих
в настоящее время на флоте рыбной промышленности. Технически это связано прежде всего с наличием на добывающих судах типа МРКТ, БАТМ и других лишь линий по производству мороженой продукции. Что касается ограниченных сроков хранения свежей печени тресковых, то они обусловлены высокой
интенсивностью гидролизных и окислительных процессов, протекающих в ее липидной фракции. В период холодильного хранения рыбной печени в ее тканях развиваются как химические (липолиз, окисление липидов), так и структурно-механические процессы, связанные прежде всего с разрушением мест локализации липидов и выделением свободного жира при последующем размораживании.
Разработка технологии мороженой печени тресковых является актуальной проблемой в наши дни,
решение которой позволит консервировать высокоценное сырье в условиях добывающего судна с последующим хранением и переработкой его на пищевые цели на плавбазах или береговых предприятиях.
В связи с этим цель работы заключалась в совершенствовании технологии холодильного консервирования свежей печени минтая, предназначенной для дальнейшего производства высококачественных пищевых продуктов.
Исследование липидостабилизирующих свойств отдельно взятых химических веществ
Исследовательский интерес представляют отдельные химические вещества – аскорбиновая кислота, уротропин, сорбиновая кислота, триполифосфат натрия, сорбит, которые могут быть использованы в качестве компонентов липидостабилизирующей композиции. Для исследования влияния этих
26
Вестник Камчатского государственного технического университета
веществ на липидоудерживающие свойства печени их добавляли к свежей печени, массу перемешивали в течение 5 мин, расфасовывали по 200 г в полиэтиленовые пакеты, удаляли воздух и направляли на замораживание, которое осуществляли в скороморозильном аппарате до температуры –26 °С.
Время полного цикла замораживания составляло 235 мин. Замороженную печень хранили при температуре –25 °С, относительной влажности 90 % в течение 30 суток. Показателем липидоудерживающих
свойств мороженой печени минтая являлось количество отделившегося самотеком жира от печени после
размораживания. Размораживание в контрольных точках (2, 5, 10, 30 суток хранения) осуществляли при
температуре окружающей среды 25 °С, продолжительность размораживания составила 185 мин, конечная
температура печени равнялась 20 °С. Параллельно проводился контрольный опыт без применения стабилизирующих добавок. Результаты исследования представлены в табл. 1.
Таблица 1
Зависимость количества отделившегося жира от концентрации стабилизирующего
вещества и продолжительности хранения
Наименование добавки
Концентрация, %
Контроль (без добавок)
Аскорбиновая кислота
-||-||-||-||-||Уротропин
-||-||-||-
0,01
0,03
0,05
0,20
0,50
1,00
0,01
0,05
0,10
0,50
Контроль
Сорбиновая кислота
-||-||-||Триполифосфат натрия
-||-||-||-
0,01
0,05
0,10
0,20
0,01
0,05
0,10
0,50
Контроль
Сорбитол
-||-||-||Лимонная кислота
-||-||-||-
0,10
0,50
1,00
1,50
0,01
0,02
0,10
0,50
Количество отделившегося жира, % к массе печени
Продолжительность хранения мороженой печени, сут
2
5
10
20
30
Содержание липидов в печени 54,5 %
5,71
5,83
6,27
11,32
18,76
5,82
6,11
7,47
12,45
19,11
6,01
6,04
8,12
12,67
19,24
6,34
6,39
8,65
12,80
19,43
6,87
6,91
9,13
13,16
20,14
7,04
7,06
9,74
13,51
22,81
7,30
7,34
10,52
14,63
23,93
5,71
5,83
6,27
11,32
18,79
5,92
6,49
6,93
11,63
19,14
6,04
6,81
7,38
12,15
19,27
6,29
7,11
8,69
13,44
19,65
Содержание липидов в печени 60,7 %
6,23
6,49
8,12
13,91
21,36
6,42
6,92
9,32
14,73
21,98
6,63
7,13
9,85
15,09
22,61
6,81
7,79
10,05
15,87
23,86
6,90
8,36
11,14
16,11
24,98
6,11
6,37
7,84
13,02
20,11
5,97
6,13
7,52
12,82
19,62
5,83
5,96
7,08
12,14
18,27
5,67
5,76
6,93
11,27
17,83
Содержание липидов в печени 58,3 %
5,97
6,03
7,82
12,56
19,82
5,81
6,97
7,16
11,96
19,46
5,74
5,89
7,01
11,52
18,64
5,69
5,73
6,52
11,04
18,22
5,41
5,58
6,21
10,13
17,67
6,17
6,21
8,46
13,45
20,98
6,58
6,94
8,97
14,22
22,13
6,84
7,23
9,38
15,24
26,15
6,91
7,82
10,26
17,61
31,89
Данные табл. 1 свидетельствуют, что рост концентрации аскорбиновой кислоты приводит к увеличению отделения жира от печени. Такая зависимость может объясняться прежде всего увеличением степени денатурации белков, составляющих места локализации липидов за счет изменения рН
в сторону уменьшения, вызванного добавлением аскорбиновой кислоты. Похожая зависимость наблюдается в печени с добавлением лимонной и сорбиновой кислоты (концентрации 0,5 % и 0,2 % соответственно), однако разрушительное воздействие лимонной кислоты на белки более негативно, чем
аскорбиновой и сорбиновой кислот. Для уротропина такой четкой зависимости не прослеживается,
следовательно, его липидостабилизирующие свойства в отношении печени минтая требуют дополнительного исследования. Положительное влияние на липидоудерживающие свойства мороженой пе27
Наука, техника и технологии рыбной отрасли
чени в процессе размораживания показали триполифосфата натрия (0,1–0,5 %) и сорбит, причем наибольшую эффективность проявил триполифосфат.
На основании данных табл. 1 методом линейного регрессионного анализа получена математическая зависимость количества свободно отделившихся липидов от продолжительности хранения и исходного содержания липидов в печени, при условии отепления замороженной печени до температуры
20 °С, которая представлена на рис. 1.
Количество отделившихся
липидов, % к массе печени
z = 0,261685(x) + 0,493230(y) - 9,455785
Со
де
д
пи
ли
ие , %
а н ни
р ж еч е
вп
ов
ж и те
П родол
л ь н о с ть
хранен
ия, сут
Рис. 1. Зависимость количества свободного отделения липидов от продолжительности
хранения и исходного содержания липидов в печени
Полученные коэффициенты корреляции позволяют предположить, что отделение липидов от печени в большей мере зависит от срока хранения (0,97) и в меньшей – от содержания липидов в печени
(0,12). Вероятно, что композиция из веществ, проявивших положительное воздействие на свойства
печени минтая, позволит усилить совокупный позитивный эффект, а исследования антиокислительных и липидостабилизирующих свойств бинарных и многокомпонентных композиций, содержащих
аскорбиновую кислоту, триполифосфат натрия, сорбит, уротропин и другие вещества в уточненных
концентрациях, могут явиться основой для создания эффективной липидостабилизирующей композиции.
Исследование липидостабилизирующих свойств бинарных композиций
Одним из важных факторов при составлении сложных композиций является возможность совместного использования компонентов, заключающаяся в толерантности одного вещества композиции
по отношению к другому, при условии сохранения концентрации и необходимых свойств обоих.
Исследовались бинарные композиции: аскорбиновая кислота + триполифосфат натрия, аскорбиновая кислота + сорбитол, хлорид натрия + аскорбиновая кислота, аскорбиновая кислота + уротропин. Компоненты бинарных композиций перед смешиванием дополнительно измельчали для уменьшения размера частиц, вследствие чего предполагалось увеличить поверхность контакта с печенью.
Рецептуры исследуемых бинарных композиций приведены в табл. 2. Готовые бинарные композиции
добавляли к свежей печени, перемешивали в течение 5 мин и выдерживали 10–15 мин для перераспределения компонентов. Затем формировали блоки по 1 кг, упаковывали в полиэтиленовые пакеты
и направляли на замораживание. Конечная температура замораживания составляла –25 °С. Параллельно проводили контрольный опыт без применения добавок.
Таблица 2
Рецептуры бинарных липидостабилизирующих композиций
Наименование компонента
Аскорбиновая кислота
Триполифосфат натрия
Сорбитол
Хлорид натрия
1
0,2
–
–
2,0
Содержание компонентов, % к массе печени
2
3
4
0,2
0,1
0,2
0,1
0,2
–
–
–
1,0
–
–
–
5
0,1
–
1,5
Степень влияния липидостабилизирующей добавки на структурные свойства печени оценивали
по количеству отделяемого жира при ее отеплении до 20 °С, окислительную порчу липидов характеризовали их перекисными числами, а изменения содержания азота летучих оснований (АЛО) и небелкового азота рассматривались как показатели белковой деструкции, обусловленной заморажива28
Вестник Камчатского государственного технического университета
нием. Зависимость количества отделившегося жира от продолжительности хранения мороженой печени и вида добавки представлена в табл. 3.
Таблица 3
Количество отделившегося жира от печени минтая при использовании бинарных
липидостабилизирующих композиций (в % к общему количеству жира)
№ п/п
композиции
Контроль
1
2
3
4
5
5
2,83
2,56
1,96
1,22
2,08
1,38
Продолжительность хранения, сут.
15
20
25
6,21
10,32
15,44
6,78
11,44
17,23
5,49
9,42
14,52
5,02
8,37
11,82
5,61
9,63
14,87
5,16
8,79
12,21
10
4,16
4,22
3,28
2,96
3,92
3,03
30
18,74
20,13
17,86
15,02
17,63
15,33
35
20,21
23,54
19,15
17,54
19,21
18,01
40
24,53
28,06
22,71
19,61
22,80
20,07
Данные табл. 3 показывают, что при использовании бинарных липидостабилизирующих композиций отделение жира в общем случае снижается в сравнении с контрольным образцом. Это предположительно обусловливается повышением жироудерживающих свойств свежей печени перед замораживанием. Известно, что фосфаты, в особенности триполифосфат, обладают солеплавильными
свойствами, обеспечивающими образование водно-белкового геля. Очевидно, при добавлении фосфатов в печень минтая белки печени образуют гель такого же типа, при этом происходит дополнительное удерживание липидов печени в местах их локализации. Обращает на себя внимание тот факт,
что композиция с хлоридом натрия оказывает негативное влияние на жироудерживающие свойства
мороженой печени, предположительно высокое отделение жира связано с усилением денатурации
белков за счет совместного воздействия хлорида натрия и аскорбиновой кислоты.
Данные изменения содержания АЛО в образцах мороженой печени, консервированной бинарными добавками, представлены в табл. 4.
Таблица 4
Изменение содержания АЛО (в мг %) мороженой печени в зависимости
от продолжительности хранения и рецептуры липидостабилизирующей композиции
№ п/п
композиции
Контроль
1
2
3
4
5
5
8,31
9,14
7,81
7,26
8,02
7,52
10
14,03
15,24
13,59
13,24
13,42
11,15
Продолжительность хранения, сут.
20
30
18,10
20,58
18,12
20,76
17,82
19,11
17,17
17,65
16,52
17,66
15,32
15,90
40
23,57
23,11
21,54
17,81
18,89
17,04
Перекисное число липидов, % J2
Полученные данные показывают, что накопление АЛО в процессе холодильного хранения печени минтая имеет минимальную динамику, свидетельствующую о некотором ингибировании протеолитических ферментов и процессов холодильной деструкции белков. Также можно отметить положительное влияние на свойства белков печени совместно используемых с аскорбиновой кислотой
сорбита и триполифосфата натрия.
Графическая зависимость изменения перекисных чисел липидов печени минтая от рецептуры
бинарной смеси и продолжительности срока хранения представлена на рис. 2.
0.16
0.16
,
0.14
0.14
,
0.12
0.12
,
2
1
0.10
3
0.08
,
0.06
0.06
,
0.04
0.04
,
0.02
0.02
,
5
10
15
20
25
30
5
4
0.08
0
1
0.10
,
35
40
45
Продолжительность хранения, сут.
6
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
Продолжительность хранения, сут.
а)
б)
Рис. 2. Зависимость изменения перекисного числа липидов мороженой печени от продолжительности
хранения и рецептуры бинарной композиции: а) 1 – контроль; 2 – АК 0,1 % + ТПФ 0,2 %; 3 – АК 0,2 % + ТПФ 0,1 %;.
б) 1 – контроль; 2 – АК 0,1 % + ТПФ 0,2 %; 3 – АК 0,2 % + ТПФ 0,1 %; 4 – АК 0,1 % + ХН 2,0 %;
5 – АК 0,1 % + сорбитол 1,5 % ; 6 – АК 0,2 % + сорбитол 1,0 %
29
Наука, техника и технологии рыбной отрасли
Данные рис. 2 показывают, что накопление перекисей меньше всего происходит в печени, консервированной с использованием 0,2 % аскорбиновой кислоты, очевидно, эта концентрация является
оптимальной для торможения процессов окисления. Использование сорбитола и триполифосфата
обусловливает антиокислительный синергизм бинарной системы, который может быть увеличен за
счет применения многокомпонентной липидостабилизирующей композиции. Присутствие хлорида
натрия в количестве 2,0 %, с одной стороны, негативно влияет на степень отделения жира и денатурацию белковых веществ, с другой – незначительно усиливает эффект антиокислительного действия
аскорбиновой кислоты. Однако из-за негативного влияния на липидоудерживающие свойства мороженой печени использование хлорида натрия в качестве компонента липидостабилизирующей композиции должно быть ограничено.
Исследование многокомпонентных липидостабилизирующих композиций
0B
Ранее было отмечено, что совмещение положительных эффектов нескольких веществ, входящих
в антиокислительную смесь, обусловливает синергизм, выраженный в усилении свойств смеси по
отношению к отдельно взятым веществам. На основании этого можно предположить, что, помимо
антиокислительных свойств смеси, должны усиливаться и липидостабилизирующие свойства.
На этом основании исследовались многокомпонентные липидостабилизирующие композиции, составленные из веществ в концентрациях, обеспечивающих максимальный эффект и проявляющих положительные свойства по отношению к торможению процессов окисления липидов и разрушения мест их локализации. Рецептуры многокомпонентных липидостабилизирующих композиций представлены в табл. 5.
Для исследования влияния на процессы гидролиза, окисления липидов, а также денатурации белков, составляющих места локализации липидов, композиции в сухом виде добавляли к свежей печени
минтая и готовили образцы аналогично вышеописанному.
Таблица 5
Рецептуры многокомпонентных липидостабилизирующих композиций
Номер
рецептуры
ЛК № 1
ЛК № 2
ЛК № 3
Наименование вещества (концентрация, % к массе печени)
сорбиновая кислота
аскорбиновая кислота (0,2)
сорбит (1,5)
(0,05)
+
+
+
+
–
+
+
+
+
триполифосфат
натрия (0,1)
–
+
+
Кислотное число липидов, мг КОН
Графические зависимости изменения кислотных чисел образцов мороженой печени в зависимости от срока хранения и вида липидостабилизирующей композиции представлены на рис. 3.
Из рис. 3 видно, что кислотные числа экспериментальных образцов мороженой печени на больших сроках хранения, консервированной липидостабилизирующими композициями ЛК № 1–3, существенно меньше по сравнению с контрольным опытом. Наименьшие кислотные числа на больших
сроках хранения имеет образец печени, консервированный ЛК № 2. Значительный рост кислотных
чисел липидов контрольного образца начинается на 19–20-е сутки, а приостанавливается на 34-е сутки хранения. Очевидно, в этот период происходит первичное накопление свободных жирных кислот, которые в дальнейшем подвергаются различным химическим трансформациям. Эффективность
применения липидостабилизирующих композиций подтверждается тем, что динамика увеличения
кислотных чисел с 20-х по 34-е сутки хранения имеет более пологий характер.
8,0
7,0
4
6,0
1
3
5,0
2
4,0
3,0
2,0
1,0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
Продолжительность хранения, сут.
Рис. 3. Изменение кислотных чисел образцов мороженой печени в зависимости от срока хранения и вида
многокомпонентной липидостабилизирующей композиции (ЛК): 1 –ЛК № 1; 2 – ЛК № 2; 3 – ЛК № 3; 4 – контроль
30
Вестник Камчатского государственного технического университета
Значения перекисных чисел липидов образцов мороженой печени, консервированных многокомпонентными липидостабилизирующими композициями, представлены в табл. 6.
Таблица 6
Значения перекисных чисел липидов (% J2) образцов печени, консервированных
многокомпонентными липидостабилизирующими композициями
Перекисное число, % J2
Продолжительность хранения, сут
20
30
0,027
0,083
0,021
0,079
0,029
0,088
0,059
0,126
Наименование композиции
ЛК № 1
ЛК № 2
ЛК № 3
Контроль
0
0,004
0,004
0,004
0,004
10
0,008
0,006
0,007
0,015
40
0,098
0,087
0,094
0,112
45
0,081
0,099
0,089
0,097
Данные табл. 6 показывают, что динамика накопления первичных продуктов окисления липидов
образцов печени, консервированных композициями ЛК № 1–3, менее экстремальна по сравнению с
контрольным образцом, особенно при продолжительности хранения 20–30 суток. Сравнивая значения табл. 6 и рис. 2, можно сделать вывод, что эффективность применяемых композиций для торможения окислительных процессов ярче выражена у многокомпонентных систем, нежели у бинарных.
Графические зависимости изменения содержания АЛО в образцах мороженой печени представлены на рис. 4. В образцах печени, консервированных липидостабилизирующими композициями ЛК
№ 1–3, снижается степень общей денатурации белков печени минтая, в особенности это выражается
для образцов с ЛК № 2. Такое защитное воздействие, по всей видимости, обусловлено наличием в
композиции сорбита и триполифосфата, имеющих функции водоудерживающих и криозащитных
агентов. Значения АЛО для образцов с ЛК № 1 несколько выше, чем с ЛК № 2–3. Предположительно
это связано с добавлением сорбиновой кислоты, которая является жирорастворимой кислотой к аскорбиновой кислоте, являющейся водорастворимой. Такая разница, возможно, обусловлена увеличением кислотности в обеих фазах, которое влияет на денатурационные изменения белков печени в
процессе холодильного хранения.
Содержание АЛО, мг %
30,0
25,0
1
4
20,0
3
15,0
10,0
5,0
0
5
2
1
y= 2,07·10-4(x3)-0,0177(x2) + 0,687(x) + 7,78
2
y= 1,5·10-4(x3) - 0,0153(x2)+0,65(x) +7,29
3
y= 1,55·10-4(x3) - 0,0147(x2) + 0,622(x) +8,04
4
y= 3,21·10-4(x3) -0,0245(x2)+ 0,869(x) +7,5
10
15
20
25
30
35
40
45
Продолжительность хранения, сут.
Рис. 4. Зависимость содержания АЛО от продолжительности хранения и вида многокомпонентной
липидостабилизирующей композиции: 1 – ЛК № 1; 2 – ЛК № 2; 3 – ЛК № 3; 4 – контроль
Таким образом, для осуществления достаточно эффективной защиты от окисления, гидролиза
липидов, а также денатурации белковых веществ в печени, направляемой на длительное холодильное
хранение, целесообразно использовать многокомпонентные липидостабилизирующие композиции,
составленные из триполифосфата, сорбита, сорбиновой и аскорбиновой кислоты, совмещая их использование с физическими факторами защиты, например упаковыванием или глазированием.
Литература
1. Борисочкина Л.И. Современные тенденции в производстве и использовании рыбных жиров //
Рыб. хоз-во. – 1991. – № 4. – С. 76 – 79.
2. Горшкова М.М., Шмакова С.И., Давлетшина Т.А. Печень минтая – сырье для высокопитательных продуктов // Пищ. пром-сть. – 1993. – № 6. – С. 21.
3. Крутченский Г.В., Янчева Р.Г., Овчинников В.В. и др. Хранение печени минтая и трески до
переработки // Сб. науч. тр. – Владивосток: ТИНРО, 1986. – С. 61 – 64.
31
Наука, техника и технологии рыбной отрасли
УДК 6П8.75–5
К РАСЧЕТУ КОНУСНОГО РОТОРА ЦЕНТРИФУГИ ДЛЯ ПОДСУШКИ ИКРЫ
В.Н. Дегтярев (КaмчатГТУ)
В статье рассмотрены вопросы создания непрерывно действующей центрифуги для отделения тузлука от икры после посола. Приведены схемы расчета конусного ротора, движения икры
в роторе, рассчитаны силы, действующие на икру, находящуюся в роторе.
The questions of creation of continuously operating centrifuge for separating brine from caviar after
salting are examined in the artricle. The circuits of cone rotor are shown too. Movements of caviar in a
rotor and forces, affecting the caviar in the rotor, are calculated.
Целью данной работы является разработка конструкции центрифуги малогабаритной непрерывно
действующей для отделения тузлука от икры после посола. Ранее проводимые опыты показали неэффективность использования центрифуги с цилиндрическим перфорированным вертикально вращающимся ротором, так как при малых оборотах ротора икра, не разделяясь с тузлуком, проходит к разгрузочному отверстию, а при больших оборотах икра прилипает к внутренней поверхности ротора и
не перемещается на выход из центрифуги.
При обработке икры на центрифуге ставятся две задачи: отделение тузлука от икры; отделение
лопанца, образовавшегося в процессе механической обработки икры.
На частицу, находящуюся в конусном вращающемся вертикальном роторе (рис. 1), действует
центробежная сила инерции (С), сила веса (Р), нормальная составляющая (N), сила (F), стремящаяся скатить частицу вниз и сила (F1),
которая выталкивает частицу вверх.
По величине эти силы (кроме силы Р) могут изменяться в зависимости от угла наклона образующей, от величины угловой скорости
и радиуса вращения.
Поскольку в нижней части ротора (рис. 2) имеется днище, принимаем, что радиус днища – величина постоянная, т. е. r = const, а затем определяем радиус для любой точки наклонной образующей.
Для первой (начальной) точки образующей R1 = r
(1)
для второй точки
R2 = r + Δr1
(2)
для третьей точки
R3 = r + 2Δr2
(3)
для n – ой точки
Rn = r + (n – 1)Δrn,
(4)
Δr
cos γ, следовательно:
где Δr – приращение радиуса;
1
Рис. 1. Силы, действующие на
зерно икры, находящейся
в конусном роторе
Δr = 1 ⋅ cos γ.
(5)
Сделав подстановку выражения (5) в уравнение (4), формулу для определения радиуса запишем в
таком виде:
R=
n
∑ [r + (i − 1) ⋅ 1 ⋅ cos γ],
(6)
i =1
где Rn – радиус любой точки образующей, м;
r – радиус днища, м;
l – длина участка образующей, м;
γ – угол наклона образующей к горизонтали;
i = 1; 2; 3; …; n – 1; n.
Поскольку l для расчетных участков величина постоянная, т. е. l = l1 = l2 = l3 ... и т. д., можем определить длину образующей L:
L=
n
∑l .
i
(7)
i =1
Центробежную силу инерции, движущую икринку вверх, запишем как
C = m ⋅ w2 ⋅ R .
32
(8)
Вестник Камчатского государственного технического университета
Для установившегося режима работы ротора w будет
величиной постоянной, изменением массы частицы m можем пренебречь и допустить, что m = const.
Затем, делая подстановку уравнения (6) в уравнение (8),
для определения величины С запишем:
C = w2 ⋅ m ⋅
n
∑ [r + (i − 1) ⋅ l ⋅ cos γ].
(9)
i =1
При больших значениях С сила F1 > F, и частица поднимается вверх. При меньших значениях С сила F1 ≤ F, слеРис. 2. Схема к расчету радиуса
конусного ротора
ниченная, т. е. 0 ≤ γ ≤
π
довательно, частица или скатывается вниз, или прилипает к
поверхности ротора.
Угол наклона образующей к горизонтали – величина огра-
. При γ = 0 cos = 1.
2
В этом случае рассматривается вращающийся диск с
R=
n
∑ [r + (i − 1) ⋅ Δr ].
(10)
n
i =1
При γ =
π
cos ( γ ) = 0. В этом случае рассматривается цилиндрический вертикальный ротор.
2
Длина образующей конического ротора представляет собой путь, который проходит зерно в процессе обезвоживания. При этом зерно движется с нижней части ротора до выхода по образующей,
смещенной на угол ϕ, который приближенно равен углу наклона образующей γ к горизонтали.
Двигаясь с нижней точки наклонной образующей к верхней кромке ротора, зерно икры движется
с ускорением, причем ускорение увеличивается пропорционально увеличению радиуса вращения икры.
Для исследования отделения тузлука от икры по формуле (6) были рассчитаны параметры конусных роторов (табл. 1).
Таблица 1
Параметры конусных роторов
№
п/п
1
2
3
4
5
Угол наклона
образующей
о
14
о
20
о
40
о
45
о
60
Живое
сечение, %
75
68
84
79
76
Длина образующей, мм
Диаметр отверстий перфор., мм
224
180
144
158
120
2,0
2,0
2,0
2,0
2,0
Таблица 2
Результаты исследований обезвоживания икры на центрифуге с перфорированным конусом
1
Частота вращения ротора n,
об/мин
2
1
200
–
2
250
–
3
400
–
4
5
700
200
–
–
6
250
5%
№
п/п
% выхода
икры
Результаты наблюдений. Выводы
3
о
4
Угол конусности 14
Выхода икры нет. Обезвоженная икра распределилась по диаметру дна барабана. Продвижение икры вдоль образующей не наблюдается.
Используется икра обезвоженная при 200 об/мин. Выхода икры нет. Икра не
продвигается вдоль образующей.
Выхода икры нет. Икра незначительно продвинулась равномерным слоем по диаметру.
о
Угол конусности 20
Выхода икры нет. Появилось значительное количество лопанца.
Загружено 100 г икры. Выхода икры нет. Икра обезвоженная распределилась по
окружности дна. Наблюдается незначительное продвижение вдоль образующей. Лопанца нет.
Незначительный выход икры. Обезвоженная икра распределилась по внутренней поверхности барабана. Лопанца нет.
33
Наука, техника и технологии рыбной отрасли
Продолжение таблицы 2
1
7
2
350
3
80 %
8
500
100 %
9
400
75 %
10
300
75 %
11
250
70 %
12
170
55 %
13
300
100 %
14
250
80 %
4
Выход икры удовлетворительный. Икра, оставшаяся в барабане, распределилась по отдельным участкам. Икринки попадают в отверстие перфорации и
застревают, препятствуя продвижению остальных.
Выход икры полный. При данном значении n на икру воздействует большая
центробежная сила, что дает большое количество лопанца.
о
Угол конусности 40
Загрузка икры в конусный барабан непрерывным потоком. Выход икры удовлетворительный, количество лопанца незначительно. При непрерывной загрузке такого количества икры в данный конус создаются благоприятные условия для выхода.
о
Угол конусности 45
Выход икры удовлетворительный. Наблюдается повышение содержания лопанца
в разгрузочной улитке. Икра влажная, много влаги в разгрузочной улитке.
Выход икры удовлетворительный. Лопанца значительно меньше. Влажность
конуса и содержание влаги в разгрузочном устройстве велико. Влага (тузлук)
поднимается вдоль образующей конуса между отверстиями перфорации, несмотря на их шахматное расположение.
Выход икры небольшой. Лопанца нет. Качество подсушки незначительно
улучшилось. Подсушенная икра распределилась в конусе по всей поверхности,
закрыв при этом всю перфорацию.
о
Угол конусности 60
Выход икры полный. Ввиду плохого качества икры количество лопанца не бралось во внимание. Влажность очень большая. Практически подсушки нет.
Выход икры удовлетворительный. Большая влажность.
В результате исследований было установлено, что при использовании конусных роторов центрифуга непрерывно отделяет тузлук от икры.
УДК 597.553
ДВУСТВОРЧАТЫЕ ЗАРЫВАЮЩИЕСЯ МОЛЛЮСКИ КАМЧАТСКОГО ШЕЛЬФА
И ПЕРСПЕКТИВЫ ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
Л.В. Ромейко (КамчатГТУ)
Обосновываются перспективы использования двустворчатых моллюсков инфауны камчатского шельфа. Приводятся сведения по распространению, биологии и экологии видов двустворчатых зарывающихся моллюсков, наиболее перспективных для промысла.
The perspectives of utilization bivalves mollusks of infauna in the shelf zones of Kamchatka are argued
here. The paper presents information on distribution, on biology and ecology of the shellfish mollusks of infauna, which are more perspective for fishery.
Двустворчатые моллюски – одна из наиболее широко распространенных и богатых численностью и биомассой групп морских животных. Они входят в состав подавляющего большинства донных биоценозов, во многих из которых занимают доминирующее положение. На мягких грунтах они
часто создают основу населения, преобладая в инфауне. Эта многочисленная и многообразная группа
беспозвоночных обитает в Мировом океане и в его краевых морях, встречаясь от приливо-отливной
зоны до глубочайших океанических желобов, от твердых скал до мягкого ила. Во многих местах своего обитания двустворчатые моллюски достигают высокой численности и биомассы, формируя одноименные сообщества – устричные и мидиевые банки, сообщества зарывающихся двустворчатых моллюсков на мягких грунтах и др. Поэтому неслучайно эта группа животных издавна привлекала
внимание человека. Население прибрежных стран использовало в пищу двустворчатых моллюсков,
обитающих на доступных для добычи глубинах. К таким видам можно отнести мидий, гребешков,
устриц. В Японии и ряде стран Юго-Восточной Азии ассортимент употребляемых в пищу двустворчатых моллюсков гораздо шире. В начале 90-х годов появилась возможность экспортировать ряд видов двустворчатых моллюсков на рынки Японии, поэтому у некоторых российских добывающих
предприятий появляется интерес не только к традиционным видам, но и к ранее не добывавшимся
в отечественных водах моллюскам. С каждым годом интенсивность их использования возрастала,
и в настоящее время среди морских беспозвоночных эта группа по объему вылова занимает первое
34
Вестник Камчатского государственного технического университета
место: в 1990 г. общий объем добычи всех двустворчатых моллюсков превысил 4 800 000 т, в то время как вылов ракообразных составил 4 600 000 т [21]. Однако на шельфе Камчатки, где обитает около
130 видов двустворчатых моллюсков [6, 12], эти виды, а особенно зарывающиеся формы, в скольконибудь значительном масштабе не используются.
Все морские двустворчатые моллюски, обитающие в российских дальневосточных морях, могут
употребляться в пищу человеком или использоваться в качестве корма для сельскохозяйственных
животных. Однако к промысловым относятся только те виды, которые обладают крупными размерами, образуют естественные скопления и обитают на небольших глубинах, что позволяет сравнительно легко их добывать. Целесообразность добычи того или иного моллюска зависит от рентабельности
его промысла и стоимости переработки улова в пищевой (или кормовой) продукт.
Выбор объекта культивирования диктуется рядом общих требований, основными из которых
следует считать: изученность объекта, его способность образовывать большие скопления, высокую
скорость роста, достаточное и стабильное восполнение молодью, нахождение на низком трофическом
уровне, доступность, простоту транспортировки и переработки. Кроме того, привлекательность двустворчатых моллюсков для промысла обусловлена особенностями их строения и образа жизни. Вопервых, мясо моллюсков обладает высокой пищевой ценностью, поскольку содержит практически
все необходимые человеку аминокислоты и микроэлементы; во-вторых, тело моллюска заключено
в известковую раковину, которую также можно использовать в промышленности; в-третьих, двустворчатые моллюски, как и большинство других гидробионтов, содержат всевозможные биологически активные вещества, используемые в фармакологии, косметологии и других отраслях;
в-четвертых, особенности жизненного цикла позволяют многим видам образовывать массовые скопления за сравнительно небольшой промежуток времени, что существенно облегчает их эксплуатацию. Использование двустворчатых моллюсков может иметь несколько аспектов, главным из которых следует считать все же пищевой, в то время как остальные аспекты (например декоративный или
строительный) имеют прикладное значение. Наиболее известны такие виды двустворчатых моллюсков, как устрицы, гребешки, мидии, а также те, которые частично или полностью зарываются в мягкие грунты. В международной литературе они получили обобщенное название – клэмы. Перечисленные группы моллюсков формируют основную часть промысловых видов.
Со второй половины XIX столетия возрастает интерес к биологически активным веществам
(БАВ) [3, 18, 22]. Это природные соединения, содержащиеся в теле живого организма. Биологически
активные вещества, которые были получены из двустворчатых моллюсков, можно объединить в четыре большие группы: 1) токсины – яды нервно-паралитического действия, влияющие на сократимость различных скелетных мышц и кровеносных сосудов; 2) иммуномодуляторы, повышающие иммунитет к различным инфекциям, в т. ч. вирусной, стафилококковой, гриппозной, холерной и др.;
3) ферменты, используемые в легкой, пищевой, химической и медицинской промышленности;
4) гормоны, стерины и липиды, применяемые при лечении различных заболеваний.
Существуют и другие аспекты промыслового использования двустворчатых моллюсков. Например, на западном побережье Северной Америки многие виды (особенно острый клэм, или Siliqua alta)
являются объектами спортивного лова и привлекают большое количество туристов [17, 19, 20]. Другие виды используются как модельные объекты для исследований в физиологии и биохимии, в связи
с чем ряд научных и вузовских лабораторий нуждается в поставках живого материала.
В последнее время все более актуальным становится контроль загрязнения акваторий, и поэтому
двустворчатых моллюсков все чаще используют как объект мониторинга. Этому способствуют такие
особенности биологии, как достаточно высокая устойчивость к загрязнению, малоподвижный образ
жизни и способность к накоплению загрязнителей в своем организме. Динамика изменения концентраций загрязнителей в теле моллюсков позволяет оценивать изменение экологической ситуации
в данном районе. Таким образом, сфера использования двустворчатых моллюсков весьма обширна.
В водах, омывающих западное и восточное побережье Камчатки, обитает около 130 видов двустворчатых моллюсков [6, 12]. Они обитают на всех глубинах – от самой верхней части приливо-отливной зоны до 5 687 м (Курило-Камчатский желоб) [15], встречаются в опресненных бухтах и на открытом побережье, от мыса Лопатка до Пенжинской губы на западе и корякского берега (лагуна Опука) на востоке.
Поселения двустворчатых моллюсков можно встретить на скалах и водорослях, на крупном песке и мягком иле, в обрастании петропавловского порта и других гидротехнических сооружений и т. д.
Приливо-отливная зона (литораль) населена в основном обитателями твердых грунтов. Ведущая
роль здесь принадлежит мидии (Mytilus trossulus), которая особенно многочисленна в закрытых бухтах, а также на скалистых мысах побережья. Другие виды двустворок встречаются гораздо реже, исключая маком, которые могут быть довольно многочисленны в опресненных участках (северозападная часть Авачинской губы).
35
Наука, техника и технологии рыбной отрасли
Следующая зона – сублитораль, простирающаяся до глубины 200 м, населена наиболее богатой фауной. Самую мелководную часть шельфа (до 40 м), наряду с обитателями твердого грунта, населяют моллюски, предпочитающие мягкие песчаные и илисто-песчаные грунты. К ним относятся такие крупные
формы, как Siliqa alta, Mactromeris polynima (Spisula voyi) , розовая теллина Peronidia lutea, два вида песчаной ракушки – Mya truncata, M. pseudoarenaria, а также мелкие двустворки Axinopsida viridis, Mysella sp.
Глубже, до 150–200 м, на песчаных и илисто-песчаных грунтах наиболее часто встречаются астарты (Tridonta rollandi, Elliptica alaskensis), кардиты (Crassicardita crassidens, Cyclocardia
crebricostata), сердцевидки (Ciliatocardium ciliatum, Seripes groenlandicus, S. laperousi, Yagudinella notabilis), макомы (Macoma calcarea, M. balthica) и собиратели-протобранхи – нукулы, леды, йольдии
(Leionucula tenuis, Nuculana pernula, Megayoldia thraciaeformis, Yoldia myalis). Каждому из крупных
районов шельфа свойственна своя группа массовых видов, что связано с особенностями течений,
рельефом дна и преобладающими типами грунтов [2].
Биоценотические отношения двустворчатых моллюсков
Двустворчатые моллюски встречаются на самых разнообразных по условиям участках дна и входят в состав подавляющего числа донных биоценозов. Во многих из них они являются руководящими
по биомассе видами или занимают субдоминантное положение, т. е. по плотности поселений и биомассе, в большинстве случаев, создают основу населения мягких грунтов и нередко доминируют
в эпифауне и эндолитофауне жестких грунтов.
По способу питания двустворчатые моллюски являются либо фильтраторами-сестонофагами, либо детритофагами, собирающими детрит с поверхности грунта, либо, в зависимости от условий, могут быть то детритофагами, то сестонофагами [25].
Таким образом, обилие и распределение двустворчатых моллюсков прямо зависит от обилия
и распределения органического вещества (детрита) на дне и в придонных слоях воды. В свою очередь, распределение детрита связано с динамикой придонных вод и особенностями грунта. Поэтому в
пределах свойственных каждому виду температур и солености количественное распределение двустворчатых моллюсков зависит от характера грунта, а также от динамики вод.
На песчаных грунтах преобладают сестоноядные закапывающиеся двустворчатые моллюски. По
мере заиления грунтов (обычно с увеличением глубины) сестонофаги сменяются видами, собирающими детрит с поверхности грунта.
Очень часто двустворчатые моллюски преобладают над другими донными организмами на мягких и смешанных грунтах. Примером тому может служить шельф западной Камчатки, отличающийся
высокой биомассой бентоса, которая на прибрежных песках достигает 2 000 г/м2, а в среднем для всего шельфа – 600 г/м2 [9]. При этом ее основную часть образуют двустворчатые моллюски. Вдоль почти всего берега на песках, на глубине 4–10 м, тянется биоценоз Siliqua alta, а на глубине10–20 м, на
песчано-галечном грунте, этот биоценоз замещается другим, в котором доминирует Peronidia lutea.
Высокую биомассу создают также Mya truncata, еще глубже обнаружен биоценоз Mya priapus
и Macoma calcarea + Liocyma viridis.
У побережья восточной Камчатки на крупнозернистых песках, на глубине около 60 м, обычен
биоценоз, в котором доминирует Tridonta rollandi, образуя биомассу до 200 г/м2. На мелкозернистых
песках часто встречаются биоценозы с преобладанием Cyclocardia crebricostata (биомасса
до 420 г/м2), Spisula voyi (до 140 г/м2) и Peronidia lutea (до 260 г/м2). Нередки здесь Macoma balthica,
Ciliatocardium ciliatum, Serripes groenlandicus [16].
В распределении двустворчатых моллюсков очень большую роль играют даже незначительные изменения соотношения в донных отложениях частиц разного размера. Так, увеличение доли частиц размером менее 0,01 мм с 40 до 50 %, с которыми связано наибольшее количество органического вещества в
грунте, приводит к замене биоценоза Macoma calcarea на биоценозы видов родов Yoldia и Megayoldia [8].
В различных частях своего ареала, находящихся в пределах разных ландшафтно-географических
зон, двустворчатые моллюски (как и другие представители бентоса) могут изменять свое положение
в биоценозах, оказываясь лидирующими в одних условиях и редкими в других. Изменение численности видов в разных частях ареала, в первую очередь в зависимости от термического режима местных
водных масс, позволяет использовать роль организмов в биоценозах в качестве характеристики при
ландшафтно-географическом районировании акваторий.
Элементы биологии и экология потенциально промысловых
двустворчатых моллюсков инфауны
Жизненный цикл двустворчатых моллюсков состоит из трех стадий – оплодотворенное яйцо, личинка и взрослая особь [5]. Жизнь особи начинается с появления личинки, которая некоторое время
36
Вестник Камчатского государственного технического университета
ведет пелагический образ жизни. После оседания на субстрат она питается, растет и, достигнув половой зрелости, превращается во взрослого моллюска. Взрослые особи всю свою жизнь проводят на
дне, где ведут малоподвижный образ жизни.
Способы оплодотворения яиц, их развитие, а также образ жизни личинок у разных видов могут
отличаться. Так, у большинства клэмов содержимое гонад в период нереста выметывается в воду, где
и происходит оплодотворение. Из яйца развивается личинка – велигер, имеющая двустворчатую раковину и ресничные лопасти (парус), с помощью которых она плавает в толще воды. В умеренных
широтах велигер пребывает в планктоне примерно 1–1,5 месяца. За это время у него развивается нога
и закладываются органы, свойственные взрослому моллюску. Метаморфоз происходит после оседания личинки на субстрат. Плавающая личинка у двустворчатых моллюсков, ведущих малоподвижный образ жизни, способствует расселению вида и освоению новых мест обитания.
У астарт, кардит и некоторых других видов метаморфоз у личинок происходит в мантийной полости материнского организма, и наружу выходит уже сформировавшаяся особь; личинки ряда пресноводных видов ведут паразитический образ жизни, прикрепляясь к жаберным лепесткам рыб [4].
Наиболее интенсивно моллюски растут в теплое время года, и сезонная неравномерность роста
отражается на структуре раковины. Скорость роста зависит от многих факторов, важнейшими из которых являются питание, гидрологический режим, температура, соленость. Продолжительность жизни разных видов варьирует от одного года до нескольких десятков лет.
Наступление половой зрелости тесно связано со скоростью роста, даже в пределах одного вида
оно может происходить в разные сроки. Например, в южных популяциях, где темпы роста высокие,
мидии становятся половозрелыми уже в первый год жизни, в то время как в северных частях ареала
половая зрелость наступает через 4–5 лет [24]. Знание сроков наступления половой зрелости, сведений о скорости роста имеет большое практическое значение, так как позволяет оценить количество
особей, доступных к изъятию, а при разведении – прогнозировать сроки сбора урожая.
Большинство двустворчатых моллюсков инфауны предпочитает селиться на грунтах, содержащих значительную долю мелких фракций. К ним принадлежат все собиратели, собирателифильтраторы и фильтраторы.
Характеристика потенциально промысловых видов
Семейство MACTRIDAE
Spisula voyi (Gabb,1866)
Тихоокеанский, широко распространенный бореальный, сублиторально-элиторальный вид [12].
Образует промысловые скопления. Перспективный объект для промысла.
Максимально установленные: возраст – 52 года, размер – 145 мм. Промысловый размер особей
в водах Приморья – 50 мм, в водах Татарского пролива и Охотского моря – 70 мм по длине раковины.
Половой зрелости достигают в возрасте трех лет, нерестятся в июне–июле (залив Петра Великого) [1].
Моллюски обитают в песчаном, гравийном, мелко-галечном, ракушечном грунте на глубинах
5–74 м, зарываясь в него до 15 см. Заселяют прибрежную зону в открытых и полузакрытых участках.
Основные скопления приурочены к крупнозернистым пескам в прибрежных водах северного Приморья от мыса Поворотного до залива Владимира на глубинах от 7 до 30 м. Добычу можно вести круглый год. Спизула на Камчатке вырастает до 5 сантиметров в среднем за 7–8 лет. Максимальный возраст моллюсков, собранных на Камчатке, не превышал 20 лет [2].
В заливе Петра Великого спизула обитает у острова Фуругельма, в заливе Восток, бухте Алеут; у
западного и восточного Сахалина, в заливах Анива и Терпения; в Охотском море, в Пенжинской губе,
у западной и восточной Камчатки, у Курильских и Командорских островов, в западных и северных
районах Берингова моря.
Взрослые особи прибойного клэма отмечены в диапазоне глубин 10–55 м на песчаном грунте.
В Авачинском заливе спизула войи, или прибойный клэм, зафиксирован западнее 159о 20' в. д., но
скоплений не обнаружено. В Кроноцком заливе отмечено скопление в северо-западной его части.
Высокая биомасса этого моллюска указана для Олюторского залива (140 г/м2). На западном побережье скопление со средней биомассой 50 г/м2 отмечено в районе мысов Хайрюзово и Южный, рек
Облуковина и Морошечная. Также известно, что спизула в значительном количестве встречается
в совместных поселениях с силиквой [9, 11].
Большие скопления этого вида имеются в восточной части Берингова моря, где его запасы составляли 329 179 т [23].
Раковина треугольно-овальная, умеренновыпуклая. Макушки острые, выступающие. Периостракум серовато-коричневый. Поверхность створок гладкая. Замочная площадка мощная. Наружный лигамент слабый, внутренний – хорошо развит и помещается в глубокой треугольной ямке. В левой
37
Наука, техника и технологии рыбной отрасли
створке имеется один раздвоенный лямбдовидный зуб, в правой створке – два подмакушечных (кардинальных) зуба. Латеральные (боковые) зубы на правой створке – парные, на левой – одиночные,
расположенные спереди и сзади от макушки. Мантийная линия с развитым синусом [12].
По способу питания является фильтратором.
Вид изучен слабо, но поскольку известны скопления, то его можно рассматривать как перспективный для промысла. Запасы не определены.
Семейство CARDIIDAE
Serripes groenlandicus (Bruguiere, 1789)
Широко распространенный бореально-арктический, сублиторально-элиторальный вид, заходящий в верхнюю батиаль [12].
Образует скопления на глубинах 30–80 м.
Максимально установленные: возраст – 33 года, длина раковины – 122 мм, масса особи – 226 г.
Промысловый размер – 70 мм по длине раковины [1].
Моллюски обитают на открытом побережье на илисто-песчаном, илистом, часто с примесью гальки и камней грунте. Зарываются неглубоко. В заливе Петра Великого встречаются на глубине 15–60 м,
преимущественно в илисто-песчаных грунтах; у южного и западного Сахалина, в Охотском море
(40–252 м, при температуре от –1,6 до 1,3о) [12] и Беринговом морях (17–124 м); в водах северного
Приморья (15–65 м). В Кроноцком заливе плотность поселения моллюсков достигает 4 экз./м2, биомасса 600 г/м2. Предварительные исследования, проведенные в 1988 г. на СРТР «Назаровск», позволили
обозначить скопления сердцевидки гренландской совместно с волосатой и замечательной сердцевидкой
в квадрате 53о 40' – 53о 55' с. ш.; 159о 50' – 160о 15' в. д. (глубина 45–100 м, грунт песчаный и илистопесчаный; 52о 45' – 53о 00' с. ш.; 159о 25' – 159о 32' в. д., нижняя граница скопления неизвестна, верхняя –
изобата 110 м, грунт илисто-песчаный и смешанный). В Кроноцком заливе плотность гренландской
сердцевидки (молодь длиной 21–30 см) на глубине 75 м – 16 экз./м2 [2].
Раковина овально-треугольная, крупная, ее задний край в месте перехода в нижний оттянут. Радиальные ребра сохраняются только в задней и реже – в передней части раковины. Наружный слой
серовато-желтый или коричневый. У молодых особей хорошо видны зоны роста и просвечиваются
зигзагообразные линии оранжевого цвета. Наружная лигаментная связка хорошо развита. На обеих
створках, помимо подмакушечных зубов, имеется по одному переднему и заднему боковому зубу.
С возрастом зубы замка сглаживаются и могут полностью исчезнуть [12].
По способу питания является сестонофагом, фильтратором.
Вид мало изучен. Образует скопления. Перспективен для освоения. Запасы не определены.
Serripes laperosi (Deshayes, 1839)
Тихоокеанский, широко распространенный бореальный, сублиторальный вид [12].
Наибольший экземпляр имел длину раковины 127,5 мм. До 5 см длиной моллюск вырастает приблизительно за 5 лет [2].
В Японском море обитает у берегов Приморья, к югу до бухты Киевка; у западного Сахалина;
в Татарском проливе; в Охотском море – заливе Анива; у берегов юго-восточной Камчатки; у Командорских и Алеутских островов; в Беринговом проливе.
Селится на грунтах с большой примесью гальки. Отмечен на глубинах 14–64 м при tо 1,6–8,6 оС
и солености 32,8–33,9 о/оо [12].
У берегов западной Камчатки плотность скопления моллюсков может достигать 10 экз./м2 и биомассы до 250 г/м2. Предварительные исследования, проведенные в 1988 г. на СРТР «Назаровск», позволили обозначить скопления сердцевидки Лаперуза совместно с замечательной и волосатой сердцевидкой в квадратах 52о 50' – 52о 55' с. ш.; 159о 45' – 159о 50' в. д. и 53о 02' – 53о 05' с. ш.; 159о 31' – 159о 35' в. д.
(глубина 55–68 м, песчаный грунт) и в квадрате 54о 10' – 54о 15' с. ш.; 160о 20' – 160о 30' в. д. (глубина
60–130 м, грунт песчаный и илисто-песчаный) [2]. Раковина моллюска овальная, ее передний край
более или менее равномерно закруглен, задний – широко закруглен и может быть немного расширен
по вертикали. Макушка смещена от середины вперед и находится приблизительно на границе
2/5 длины раковины. Периостракум серовато-коричневый или серовато-желтоватый, немного блестящий. Обычно различимы зоны роста [12].
По способу питания является сестонофагом, фильтратором.
Вид мало изучен. Образует скопления. Перспективен для освоения. Запасы не определены.
Clinocardium nuttallii (Conrad, 1837)
Тихоокеанский, широко распространенный бореальный, литорально-верхнесублиторальный вид [12].
Наибольший экземпляр имел длину раковины 103 мм (створки), (бухта Вилючинская, юговосточное побережье Камчатки).
38
Вестник Камчатского государственного технического университета
Обитает в Охотском море – у южного Сахалина; у Курильских островов; у восточной Камчатки;
у Командорских островов; в Беринговом проливе, в восточной части Берингова моря. Отмечен от
нижнего горизонта литорали до глубины 15 м.
Селится на различных грунтах.
Раковина крупная, выпуклая, толстостенная, тяжелая, треугольно-овальная. Макушки высокие,
смещены от середины вперед. Створки покрыты сильными радиальными ребрами в количестве 28–32
штуки, в поперечном сечении округлыми или почти прямоугольными. Ребра несут многочисленные,
правильно расположенные поперечные узловатые бугорки. Периостракум серовато-коричневый.
Обычно хорошо различимы зоны роста. Зубы замка сильные [12].
По способу питания сердцевидка является сестонофагом, фильтратором.
Вид мало изучен. Запасы не определены.
Keenocardium californiense (Deshayes, 1839)
Тихоокеанский, широко распространенный бореальный, сублиторально-элиторальный вид [12].
Максимально установленные: возраст – 11 лет, длина раковины – 75 мм.
Промысловый размер – 50 мм по длине раковины [1].
Моллюски обитают в илисто-песчаных, галечных, каменистых и смешанных грунтах на глубинах
2–78 м, при температуре до 12,8о и солености 31,9–32,3 о/оо.
Скопления сердцевидки располагаются в открытой части побережья у выходных мысов узкой лентой. В водах северного Приморья сердцевидка отмечена в крупнозернистом песке. У берегов Приморья
– на глубинах до 40 м. Наибольшее количество встречено к северу от мыса Поворотного, у западного
Сахалина, у Курильских островов и у восточной Камчатки, в западной части Охотского моря.
Раковина округло-овальная, коричневая, равносторонняя. Крепкие створки покрыты радиальными ребрами в количестве 40–57 штук. Каждая створка имеет по два слаборазвитых зуба, передние и
задние боковые зубы. Хорошо видны зоны роста. На краю внутренней стороны створок зазубрины,
соответствующие наружной скульптуре [12].
По способу питания сердцевидка является сестонофагом, фильтратором.
Вид мало изучен. Запасы не определены.
Ciliatocardium ciliatum tchuktchense Kafanov, subsp. nov.
Тихоокеанский, приазиатский, широко распространенный бореальный, сублиторальноэлиторальный подвид [12].
Перспективный объект для промысла. Образует скопления.
Максимально установленные: возраст – 12 лет, длина раковины – 75 мм, масса – 105 г.
Промысловый размер – 50 мм по длине раковины.
Моллюски обитают в илах, алевритовых песчаных, галечных и смешанных грунтах на глубинах
до 445 м [1].
Встречаются в заливе Петра Великого на глубинах 40–100 м, в Татарском проливе (50–4 м),
у Камчатки (110–145 м), у западного побережья Берингова моря, в Анадырском заливе (20–100 м),
в заливе Анива (55–56 м), заливе Терпения (32–50 м), у северных берегов Охотского моря (100–125
м) при температуре от –1,7 до +4,8о. В Кроноцком заливе плотность поселения моллюсков достигает
2 экз./м2, биомасса – 33 г/м2, у берегов юго-восточной Камчатки – 10 экз./м2, биомасса – 85 г/м2 [1].
Скопления ресничной, или волосатой, сердцевидки совместно с замечательной и гренландской сердцевидками обнаружены в квадратах: 52о 45' – 53о 00' с. ш.; 159о 25' – 159о 32' в. д. (нижняя граница скопления
неизвестна, верхняя – изобата 110 м, грунт илисто-песчаный и смешанный); 52о 50' – 52о 59'с. ш.;
159о 38' – 159о 45' в. д. (глубина 90–125 м, илисто-песчаный грунт); 53о 40' – 53о 55' с. ш.; 159о 50' – 160о 15' в. д.
(глубина 45–100 м, грунт песчаный и илисто-песчаный); 54о 10' – 54о 15' с. ш.; 160о 20' – 160о 30' в. д.
(глубина 60–130 м, грунт песчаный и илисто-песчаный); 53о 40' – 53о 55' с. ш.; 159о 50' – 160о 15' в. д.
(глубина 45–100 м, грунт песчаный и илисто-песчаный) [2].
Во всех районах своего ареала Ciliatocardium ciliatum tchuktchense придерживается преимущественно мелководной зоны, поселяясь на илистых, илисто-песчанистых и песчанистых грунтах [14].
У берегов восточной Камчатки встречается на глубинах 40–445 м в количестве 1–16 экз./м2
(0,3–115,0 г/м2). Максимальные, высокие, средние биомасса и плотность поселений, а также наиболее
высокая частота встречаемости приходятся на глубины 100–200 м, т. е. на нижний отдел сублиторали, где сезонные колебания температуры и солености сравнительно невелики, и в течение большей
части года удерживаются низкие положительные температуры и соленость 33,0–33,5 о/оо [7].
Раковина овально-округлая, выпуклая. Поверхность створок покрыта радиальными, узкими, треугольными в сечении ребрами с острым гребнем, которых насчитывается 30–35 штук. Нижние края
створок изнутри зазубрены соответственно наружной скульптуре. Периостракум светло-желтый [12].
39
Наука, техника и технологии рыбной отрасли
По способу питания сердцевидка является сестонофагом, фильтратором.
Запасы не определены.
Семейство TELLINIDAE
Peronidia lutea (Wood, 1828)
Тихоокеанский, широко распространенный бореальный вид, заходящий в элитораль [12].
Наибольший экземпляр, добытый у Командорских островов, имеет длину раковины 89,6 мм [1].
В Японском море обитает в заливе Петра Великого; в водах северного Приморья – севернее залива Ольги; у западного Сахалина; в Охотском море – вдоль всех берегов; на южно-курильском мелководье; у средних и северных Курильских островов; у восточной Камчатки; в Беринговом море – в заливах Корфа и Олюторский; у Командорских и Алеутских островов.
Моллюски обитают на песчаных, редко илисто-песчаных грунтах. В Японском море перонидия
отмечена на глубинах 15–99 м при to 2,3–14,8 оС; на южно-курильском мелководье – на глубинах
17–43 м при tо 10,9–18,9 оС; в Охотском море – на глубинах 5–50 м при tо 0,6–12,6 оС.
Раковина удлиненная, сравнительно толстостенная. Периостракум серо-оливковый, обычно сохраняется лишь на нижней части створок. Макушки занимают среднее положение или сдвинуты немного
вперед. Изнутри створки с розоватым оттенком. На правой створке заметен слабо развитый передний
латеральный зуб. По сравнению с взрослыми молодые особи относительно удлиненные [12].
Вид мало изучен. Создает скопления. Перспективен для освоения.
Запасы не определены.
Семейство CULTELLIDAE
Siliqua alta (Broderip et Sowerby, 1829)
Тихоокеанский, широко распространенный бореальный, сублиторальный вид [12].
Максимально установленные: возраст – 22 года, длина раковины – 162,5 мм (Аляска), 160,0 мм
(Охотское море), 60 мм (Приморье). У южной границы ареала вид мельчает.
Промысловый размер – 80 мм [1].
Моллюск обитает в открытом море на глубинах до 80 м, закапывается в крупнопесчаный, песчано-галечный грунты, ракушку. Скопления силиквы в Охотском море отмечены на глубинах 6–17 м,
средняя биомасса 600 г/м2, плотность скоплений 6–8 экз./м2. Основные скопления расположены
в Охотском море: в заливах Анива, Терпения, у восточного Сахалина и в Сахалинском заливе, у западной и восточной Камчатки, у Курильских, Командорских и Алеутских островов, в Беринговом
море – в заливах Корфа и Олюторском [12].
S. alta на западном побережье Камчатки обитает на глубине 4–25 м. Селится преимущественно на
песчаном грунте, где достигает значительного развития. У восточного побережья Камчатки, судя по
многочисленным створкам в береговых выбросах, этот вид также обитает на мелководье. Литературные данные о распределении S. alta [8, 9, 11] свидетельствуют о том, что вдоль всего западного побережья от мыса Лопатка до южной части залива Шелихова поселения этого вида тянутся сплошной
полосой. Биомасса силиквы в этих поселениях в среднем составляет 650 г/м на 4–10 м и 580 г/м на глубине 10–21 м. В отдельных районах биомасса S. alta вместе с двумя сопутствующими видами – розовой
теллиной и мией обрубленной достигает 2 000 г/м2. Наибольшего развития поселения острого клэма достигают в районах, примыкающих к устьям рек (Хайрюзова, Ича, Облуковина, Морошечная и др.) [2].
О распределении этого вида на восточном побережье Камчатки практически ничего не известно,
но судя по многочисленным створкам и даже живым экземплярам, которых находили на песчаных
пляжах Авачинского и Кроноцкого заливов, можно предполагать, что и здесь биомасса острого клэма
достаточно высока.
Раковина удлиненно-овальная, сильно выпуклая, зияющая спереди и сзади, сравнительно тонкостенная. Верхний и нижний края слабо вогнуты. Замочная площадка слабо развита. На внутренней
поверхности створок имеется валик, идущий от макушки. Лигамент наружный. Мантийная линия
с широким, неглубоким синусом. Периостракум зеленовато-коричневый, блестящий. У молодых особей обычно имеется слабая лучистость [12].
Гонадный цикл S.alta не изучен. В Авачинской губе личинки этого вида были обнаружены в августе –
первой половине сентября с наибольшей плотностью – 19 экз./м2 (1 сентября 1985 г.) [2]. Первые особи становятся половозрелыми в 5 лет (до 10 %), и 100-процентная половая зрелость достигается к 8 годам [23].
Максимальная плотность молоди в возрасте около одного года зарегистрирована в Кроноцком
заливе на глубине 45 м и составляла 120 экз./м2. Плотность моллюсков возраста около двух лет
в Авачинском и Кроноцком заливах варьировала от 4 до 12 экз./м2.
На западном побережье Камчатки за 10–12 лет силиква достигает 115 мм, а на восточном побережье она достигает этого размера в среднем за 8 лет. Для американского вида Siliqua patula промы40
Вестник Камчатского государственного технического университета
словой считается длина раковины 90 мм. Для достижения этих размеров моллюскам с западного побережья Камчатки потребуется 7–9 лет, а с восточного побережья – 5–6 лет [2].
Запасы S. alta не определены, но приведенные данные указывают на то, что скопления острого
клэма на Камчатке существуют и запасы его значительны, следовательно, этот вид можно рассматривать как перспективный для промысла.
Семейство MYIDAE
Mya truncata (Linne, 1758)
Широко распространенный бореально-арктический, сублиторально-элиторальный вид, заходящий в нижний горизонт литорали.
В Японском море обитает в Приморье от залива Посьета до залива Владимира и у западного Сахалина; в Охотском море – в заливе Терпения; у Курильских островов; у восточной Камчатки и Командорских островов; в Беринговом море – в бухте Провидения и в Беринговом проливе [12].
Создает скопления. Перспективен для освоения.
Максимально установленные: длина раковины у особей из бухты Провидения – 76,5 мм, из залива Посьета – 51 мм, из южной части Охотского моря – 96,9 мм [1].
Мия селится в илистом и илисто-песчаном грунтах, иногда с примесью гравия, гальки и камней.
В дальневосточных морях встречена на глубине 10–80 м. В Охотском море поселения с наибольшей
биомассой до 800 г/м отмечены у северо-западной Камчатки на глубинах 25–60 м [11]. На восточном
побережье створки находили в береговых выбросах на песчаных пляжах Авачинского залива.
В Японском и Охотском морях отмечена при to 2,9–6,4 оС.
Раковина овально-прямоугольная, довольно крепкая, выпуклая, задний край резко усечен с
большим зиянием сзади. Очертания раковины сильно варьируют. Макушки смещены от середины
немного назад. Зубы замка отсутствуют. На левой створке имеется ложечковидный выступ, где располагается внутренний лигамент. Свободный край выступа при виде сверху почти прямой. На правой
створке под макушкой имеется ямка. Мантийный синус широкий, достигает приблизительно середины створок, почти весь сливается с мантийной линией [12].
По способу питания является фильтратором. Один из наиболее глубоко зарывающихся видов.
Вид мало изучен. Запасы не определены.
Mya (Mya) priapus Tilesius, 1822
Тихоокеанский, широко распространенный бореальный, литорально-верхнесублиторальный вид [12].
Наибольший экземпляр, найденный в заливе Посьета, имеет длину 100,5 мм [1].
В Охотском море обитает в заливе Терпения, у восточного Сахалина в Сахалинском заливе,
у Шантарских островов, в Тауйской губе, у западной Камчатки; у Курильских островов – Парамушира и Итурупа; у восточной Камчатки; в Беринговом море.
Селится на грунте с большим количеством гальки и камней; в сублиторали отмечен на илистом песке,
обычно с примесью гальки и гравия. В большей части ареала обитает в нижнем горизонте литорали, но
в Японском море ( в заливе Петра Великого и Посьета) встречен только в верхней сублиторали до глубины
20 м. Отмечен при температуре от 6 (в Охотском и Беринговом морях) до 15 оС (в Южном Приморье).
Раковина неправильно-овальная, крепкая, выпуклая, с широким щелевидным зиянием сзади.
Задняя часть раковины обычно немного оттянута и сужена. Очертания раковины сильно варьируют.
Макушки немного смещены от середины назад, реже занимают среднее положение. Мантийный синус широкий, достигает середины створок и почти весь сливается с мантийной линией [12].
По способу питания является фильтратором. Может попадаться в приловах вместе с Siliqua alta и
Spisula voyi.
Вид мало изучен. Запасы не определены.
Семейство ASTARTIDAE
Tridonta borealis borealis Schumacher, 1817
Тихоокеанский, широко распространенный бореальный, сублиторально-элиторальный подвид,
встречающийся и в верхней батиали [12].
Продолжительность жизни около 10 лет. Максимально отмеченная длина раковины моллюска
из района юго-западной Камчатки – 50,2 мм [1].
В северной части Тихого океана обитает во всех дальневосточных морях.
Селится в различных грунтах, от илистого до песчаного, часто с примесью щебня, гальки и камней, на глубине до 200 м. На шельфе Корякского побережья отмечены поселения моллюска плотностью до 140 экз./м2 и биомассой более 500 г/м2.
Раковина умеренно выпуклая, крепкая, толстостенная, треугольно-овальная. Макушки выступающие, наклонены вперед, немного сдвинуты от середины к переднему краю. Периостракум от тем41
Наука, техника и технологии рыбной отрасли
но- до светло-коричневого цвета. Поверхность створок покрыта концентрическими ребрышками,
обычно только в области макушек. Замочная площадка широкая. На левой створке два кардинальных
(подмакушечных) зуба, на правой створке – один крупный. Мантийная линия без синуса.
По способу питания является сестонофагом, фильтратором.
Вид слабо изучен. Запасы не определены.
Tridonta rollandi (Bernardi, 1859)
Тихоокеанский, широко распространенный высокобореальный, сублиторально-элиторальный вид.
Длина раковины до 40 мм [12].
Обитает в Охотском море: у восточного Сахалина, в северных районах моря, у юго-западной
Камчатки; у Курильских островов; у восточной Камчатки; в Беринговом море – у его западных берегов и в Анадырском заливе.
Моллюск селится в песчаном, в т. ч. крупнозернистом грунте, в ракушечнике, а также в гравийном, галечном и каменистом грунтах. В дальневосточных морях отмечен на глубине 6–100 м. В пределах ареала поселения моллюска с биомассой до 400 г/м2 отмечены в Камчатском заливе.
В районе юго-западной Камчатки на гравийно-галечных грунтах биомасса моллюска достигает
1 000 и более г/м2 при плотности поселения 200 экз./м2 [1].
Раковина умеренно выпуклая, округлая, толстостенная. Периостракум немного блестящий от
светло- до темно-коричневатого цвета, у молодых особей – желто-коричневый. Створки гладкие или
со слабо рельефными концентрическими ребрами в области макушек и средней части раковины [12].
По способу питания является сестонофагом, фильтратором.
Вид слабо изучен. Запасы не определены.
Семейство NUCULANIDAE
Megayoldia thraciaeformis (Storer, 1838)
Амфибореальный, сублиторально-батиальный вид [12].
Обитает в Японском море: у Приморья к югу до залива Посьета; в Охотском море, у юговосточной Камчатки; в Беринговом море.
Длина раковины взрослых особей 40–60 мм. Самый большой экземпляр, добытый в Татарском
проливе, имеет длину 68 мм [10]. Продолжительность жизни – 8 лет.
Селится обычно в илистых, реже илисто-песчаных грунтах. В дальневосточных морях встречается преимущественно на глубине 50–200 м. Скопления до 50 экз./м2 с биомассой 140–285 г/м2 образует
в Гижигинской губе, заливе Шелихова на глубине 45–120 м [2].
Раковина довольно выпуклая, у взрослых особей имеющая большое зияние в передне-нижней
части и щелевидное в задней части. Задняя часть раковины расширена по вертикали и оттянута кверху, у старых экземпляров она поднимается выше макушек. Макушки выступают умеренно, смещены
немного вперед. От них вниз и назад идет хорошо выраженная радиальная складка. Периостракум
коричневато-оливковый, у молодых особей светло-оливковый. Замок состоит из многочисленных
одинаковых зубов, расположенных спереди и сзади макушки. Под макушкой расположена треугольно-округлая ямка для внутреннего лигамента, покрытая тонкой радиальной исчерченностью. Мантийная линия с синусом [12].
По способу питания собирающий детритофаг.
Вид слабо изучен. Запасы не определены.
Клэмы по сравнению с мидиями и гребешками – наименее изученная группа двустворчатых моллюсков, поэтому основное внимание должно быть уделено острому клэму Siliqua alta, так как этот моллюск
образует большие скопления, достигает больших размеров и растет относительно быстро. Основные скопления расположены на западном побережье Камчатки в районах рек Большая, Хайрюзова, Ича, Облуковина, Морошечная и других на глубинах 4–20 м [2]. Естественной границей скоплений острого клэма
вдоль изобат следует считать гравийно-галечные грунты и поселения плоского морского ежа Echinarachnius parma. Нижней границей являются поселения розовой теллины, мии и известковой макомы.
На восточном и юго-западном побережьях интерес для промысла могут представлять скопления
сердцевидок. Кроме этого, определенный интерес представляют мелководные районы, примыкающие
к песчаным пляжам Авачинского и Кроноцкого заливов, а также залив Корфа [2], где, судя по береговым выбросам, обитают острый и прибойный клэмы (Siliqua alta и Spisula voyi), а также розовая теллина и мия. Известны районы, где могут содержаться промысловые запасы этих моллюсков, но требуются дополнительные исследования по оценке их запасов. В перспективе возможно
культивирование клэмов [13, 20].
42
Вестник Камчатского государственного технического университета
Литература
1. Атлас двустворчатых моллюсков дальневосточных морей России. – Владивосток: Изд. «Дюма», 2000. – 168 с.
2. Буяновский А.И. Двустворчатые моллюски Камчатки и перспективы их использования. – М.:
ВНИРО, 1994. – С. 100.
3. Гурин И.С., Ажгихин И.С. Биологически активные вещества гидробионтов – источник новых
лекарств и препаратов. – М.: Наука, 1981. – 136 с.
4. Зацепин В.И., Филатова З.А. Класс двустворчатые моллюски (Bivalvia) // Жизнь животных. –
М.: Просвещение ,1968. – Т. 2. – С. 95–155.
5. Касьянов В.Л., Крючкова Г.А., Куликова В.А., Медведева Л.А. Личинки двустворчатых моллюсков и иглокожих. – М.: Наука, 1983. – 201 с.
6. Кафанов А.И. Двустворчатые моллюски шельфов и континентального склона северной Пацифики //Аннотированный указатель. – Владивосток: ДВО АН СССР, 1991. – 200 с.
7. Кузнецов А.П. Фауна донных беспозвоночных прикамчатских вод Тихого океана и северных
Курильских островов. – М.: АН СССР, 1963. – 272 с.
8. Нейман А.А. Количественное распределение бентоса на шельфе и верхних горизонтах склона
восточной части Берингова моря // Тр. ВНИРО. – 1963. – Т. 48. – С. 145–205.
9. Нейман А.А. Бентос западнокамчатского шельфа // Тр. ВНИРО. – 1969. – Т. 65. – С. 223–-232.
10. Ромейко Л.В. Двустворчатые моллюски северной части Японского моря (отряды: Nuculida,
Mytilida, Pectinida). – Владивосток: ТИБОХ ДВО РАН, 1993б. – 151 с. (Рукопись деп. ВИНИТИ
07. 06. 93, № 1555-В93).
11. Савилов А.И. Экологическая характеристика донных сообществ беспозвоночных Охотского
моря // Труды Ин-та океанологии АН СССР. – 1961. – № 46. – С. 3–84.
12. Скарлато О.А. Двустворчатые моллюски умеренных широт западной части Тихого океана. –
Л.: Наука, 1981. – 480 с.
13. Супрунович А.В. Аквакультура беспозвоночных. – К.: Наукова думка, 1988. –150 с.
14. Филатова З.А. Некоторые новые представители семейства Astartidae (Bivalvia) дальневосточных морей // Труды Ин-та океанологии АН СССР. – 1957. – Т. 23. – С. 296–302.
15. Филатова З.А. О некоторых массовых видах двустворчатых моллюсков из ультраабиссали
Курило-Камчатского желоба // Труды Ин-та океанологии АН СССР. – 1971. – Т. 92. – С. 46–60.
16. Филатова З.А., Нейман А.А. Биоценозы донной фауны Берингова моря //Океанология. – 1963.
–Т. 3. – Вып. 6. – С. 1079–1084.
17. Ayres D.I., Simons D.D. The spring and fall 1988 razor clam fisheries with a review of razor clam
sampling methodology // Progr. Report of the State Washington Dep. Fisher. – 1988. – № 276. – pt.1–4. –
P. 1–67.
18. Bioactive compounds from the sea // Ed. By H.J. Humm and C.E. Lane (Marine Science, v. 1). –
New-York: Marcell Dekker Inc., 1974. – 251 p.
19. Bourne N. Population studies on the razor clam at Masset, British Columbia // Fisher. Res. Board of
Canada. Technical Report. – 1969. – № 118. – 23 p.
20. Bourne N. Intertidal clams // Invertebrate and marine plant fishery resources of British Columbia/ –
Ottawa: Dep. Fish. Oceans, 1986. – P. 22–31.
21. FAO yearbook: Fishery statistics (catches and kin dings). – 1990. – P. 70.
22. Halstead B.W. Poisonous and venomous marine animals of the world. – Washington, 1965. – 1070 р.
23. Hughes S.E., Bourne N. Stock assessment and life history of a newly discovered Alasca surf clam
(Spisula polinima) resours in the south- eastern Bering Sea // Canad. Fish. Aquat. Sci. – 1981. – № 38 (10). –
P. 1173–1181.
24. Seed R. Ecology// Marine mussels: their ecology and physiology // Cambridge Unive. Press. – 1976.
– P. 13–65.
25. Physiology of Mollusca // Ed. K.M. Wilbur and C.M. Yange. – New-York, Lonlon. – 1966. – V. 2.
– 645 p.
43
Наука, техника и технологии рыбной отрасли
УДК 664.951(075.8)
ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
ПОЛУЧЕНИЯ КОПТИЛЬНОЙ СРЕДЫ
Е.П. Лаптева (Дальрыбвтуз, г. Владивосток)
Исследовано влияние технологических параметров распыления коптильного препарата
на дисперсный состав коптильной среды. Установлены основные закономерности ее образования. Определены оптимальные параметры получения стабильной коптильной среды.
The influence of technological parameters of dispersion smoking of a preparation on structure
of environment is investigated. The basic laws of her formation are established. The optimum parameters
of reception of stable smoke environment are determined in this work.
Перспективным направлением развития технологии копченых продуктов является использование
коптильных препаратов, позволяющих получать экологически безопасную копченую продукцию, легко
регулировать и автоматизировать процесс копчения, снизить его продолжительность и энергозатраты,
улучшить санитарно-гигиенические условия труда, решить вопросы экологии коптильного производства.
В практике эффективное использование коптильных препаратов определяется выбранным способом, а также технологическими параметрами процесса обработки полуфабриката. В настоящее время
известно достаточно большое количество способов использования коптильных препаратов для получения копченых рыбных продуктов. Наиболее экономичным и технологичным из них является способ, основанный на распылении коптильного препарата.
Основное достоинство данного способа обработки заключается в том, что процесс копчения,
включающий осаждение коптильных компонентов на поверхность продукта, диффузию во внутренние слои, взаимодействие с компонентами продукта, максимально приближен к условиям традиционного дымового копчения [1].
При распылении коптильного препарата образуются аэрозоли с различной степенью дисперсности.
От степени дисперсности зависит стойкость образуемых при распылении аэрозолей, а также определяется интенсивность осаждения частиц, что влияет на качество готовой продукции [2, 3].
Для получения аэрозоля коптильного препарата в практике бездымного копчения применяют
распыление с помощью пневматических форсунок. При пневматическом способе диспергирования
энергия подводится к жидкости главным образом в результате взаимодействия ее с высокоскоростным потоком газа (распыливающим агентом). Благодаря большой скорости потоков в форсунки жидкость сначала расслаивается на отдельные нити, которые затем распадаются на капли. Длительность
существования статистически неустойчивой формы в виде нитей зависит от относительной скорости
газа: чем больше относительная скорость, тем более дисперсным получается распыл [4]. Следовательно, дисперсность получаемых аэрозолей зависит от параметров распыления коптильного препарата.
С учетом этого был проведен комплекс экспериментов по изучению закономерностей процесса образования рабочей коптильной среды, оценки ее стабильности и приемлемости для обработки рыбы.
Для оценки влияния параметров распыления коптильного препарата «ВНИРО» на размерномассовую характеристику дисперсной части рабочей коптильной среды использовали форсунку
внутреннего смешения с выходным сечением 7,065⋅10-6 м2.
В качестве определяющего параметра процесса выбрано давление воздуха, создаваемое в системе
распыления препарата компрессором. В соответствиии с методикой проведения эксперимента при
различном давлении воздуха в системе распыления (Р) для выбранной пневматической форсунки
внутреннего смешения с выходным сечением 7,065⋅10-6 м2 аналитически рассчитывали скорости истечения: коптильного препарата (ωкп), воздуха (ωв), газожидкостной смеси (ωсм). Результаты расчетов
приведены в табл. 1.
Таблица 1
Скорости истечения из форсунки при различном давлении (Р) воздуха
Р, кПа
100
150
200
250
300
ωв, м/с
117,6
144,0
166,0
185,9
200
ωкп, м/с
0,17
0,20
0,25
0,28
0,31
ωсм, м/с
108,4
134,6
160,0
175,4
189,6
Анализ табличных данных позволил установить зависимость скорости истечения газожидкостной смеси из форсунки при распылении коптильного препарата «ВНИРО» в диапазоне варьирова44
Вестник Камчатского государственного технического университета
w, м/с
ния давления от 100 до 300 кПа, температуре холодного копчения рыбы 20–22 0С и рекомендованной
относительной скорости коптильной среды 2–3 м/с (рис. 1).
210
190
170
150
130
110
90
70
50
y = 0,448x + 66,08 (1)
50
150
250
350
P, кПа
Рис. 1. Зависимость скорости истечения газожидкостной смеси от давления воздуха
Полученная графическая зависимость свидетельствует о том, что чем выше давление воздуха,
тем выше скорость истечения газожидкостной смеси. При повышении подаваемого на форсунку давления от 100 до 300 кПа скорость истечения газожидкостной смеси изменяется от 108,4 до 189,62 м/с.
Математическая обработка данных позволила представить зависимость скорости истечения газожидкостной смеси от давления, создаваемого в системе распыления коптильного препарата в виде линейного уравнения (1).
Методом электрон-микроскопического анализа установлено влияние скорости истечения газожидкостной смеси из форсунки и, соответственно, давления в системе распыления коптильного препарата на дисперсный состав получаемой коптильной среды (табл. 2).
Таблица 2
100
150
200
250
300
⎛ диапазон ⎞ , мкм
⎟
⎝ средний ⎠
Скорость истечения газожидкостной смеси, м/с
Давление в системе распыления,
кПа
Дисперсный состав коптильной среды
шт.
%
шт.
%
шт.
%
108,4
134,6
160,0
175,4
189,6
–
35
798
834
837
–
4,2
95,0
98,7
99,0
17
775
25
7
5
2,0
94,0
2,9
0,8
0,8
799
14
17
3
2
98,0
1,6
2,1
0,2
0,2
Размер частиц ⎜
10–50
30
50–90
70
U
свыше 90
U
dср, мкм
Экспериментальные данные показывают, что чем больше давление, создаваемое в системе распыления, тем более дисперсной получается коптильная среда. Так, если в системе распыления давление 200–300 кПа, то средний размер частиц (95–99 %) не превышает 30 мкм. Понижение давления до
100 кПа приводит к увеличению среднего размера частиц коптильной среды, основная масса частиц
при этом имеет средний диаметр более 90 мкм.
Аналитическим методом с помощью эмпирического уравнения Weiss, Worsham [5] для пневматической форсунки установлена зависимость среднего диаметра частиц коптильной среды от скорости истечения газожидкостной смеси (рис. 2).
Полученные аналитическим путем графическая
и математическая зависимости адекватны
150
данным табл. 2. Это позволяет использовать предложенное уравнение (2) с учетом уравнения (1) для
y = 0,0172x - 6,4354x + 626,17 (2)
100
расчета и регулирования дисперсного состава
50
коптильной среды, получаемой путем распыления препарата «ВНИРО».
0
Так, с увеличением скорости истечения газо100
150
200
250
жидкостной смеси от 108,4 до 189,62 м/с средний
w см, м/с
диаметр частиц уменьшается от 133 до 27,3 мкм.
Следовательно, при распылении коптильноРис. 2. Зависимость изменения диаметра капель
го
препарата
пневматической форсункой основот скорости истечения газожидкостной смеси
2
45
Наука, техника и технологии рыбной отрасли
ным параметром, влияющим на дисперсность получаемого аэрозоля, является скорость истечения
газожидкостной смеси, которая зависит от давления, создаваемого в системе распыления. Полученная зависимость не противоречит данным, полученным ранее [4].
Для оценки влияния дисперсного состава коптильной среды на качество копченой продукции при
давлении 100–250 кПа и температуре холодного копчения рыбы 20–22 0С осуществляли циклическое
распыление коптильного препарата «ВНИРО». Продолжительность каждого цикла распыления составляла 20 с, а продолжительность последующей рециркуляции – 5 мин. Полученной коптильной
средой при рекомендованной относительной скорости 2–3 м/с обрабатывали филе терпуга. Результаты анализа содержания отдельных групп коптильных компонентов и органолептическая оценка обработанного филе приведены в табл. 3.
Таблица 3
6B
Оценка качества филе терпуга, обработанного коптильной средой различной дисперсности
Содержание в филе
Средний диаметр
частиц, мкм
фенолов, мг/100 г
кислот, %
Суммарная органолептическая
оценка, баллы
133
68
40
30
1,04
1,40
1,45
1,52
0,35
0,42
0,52
0,55
14,6
15,4
16,9
17,5
1B
Концентрация фенолов, мг/м3
Анализ полученных данных показал, что существует зависимость изменения качества филе
от дисперсности коптильной среды. Наиболее высокую оценку получили образцы, обработанные
коптильной средой с диаметром капель 30 и 40 мкм. Филе имело равномерный золотистокоричневый цвет кожного покрова, приятный аромат и вкус копчения. Характерной особенностью
филе, обработанного аэрозолем с диаметром капель 133 и 68 мкм, является темно-серый цвет поверхности, образцы имели недостаточно выраженный вкус и аромат копчения.
Известно, что применяя рециркуляцию и более тонкое диспергирование препарата, можно усилить примерно в 2–2,5 раза эффект копчения и резко сократить расход коптильного препарата
по сравнению с обработкой образцов в статическом или полустатическом аэрозольном облаке коптильного препарата [6]. В то же время при турбализации потока происходит столкновение частиц
и их укрупнение, в результате происходит увеличение доли частиц с большим диаметром. При укрупнении частиц проявляется действие гравитационных сил, и частицы начинают осаждаться не
только на продукт, но и на стенки камеры, что является следствием потери коптильного препарата
и ухудшения качества готовой продукции [2, 3, 7]. С учетом полученных данных, сопоставимых
с известными, исследовали влияние продолжительности одного цикла распыления препарата, а также
продолжительности последующей рециркуляции коптильной среды на концентрацию компонентов
в коптильной среде. Коптильный препарат распыляли через пневматическую форсунку под давлением 200 кПа, продолжительность распыления изменяли от 10 до 50 с. Результаты изменения концентрации коптильных компонентов в коптильной среде представлены на рис. 3.
Из данных рис. 3 видно, что с увеличением
0,2
продолжительности распыления препарата от
10 до 50 с концентрация коптильных компонен0,15
тов (по фенолам) в коптильной камере возрастает.
5
В то же время при последующей рециркуляции
4
3
коптильной среды происходит снижение концен0,1
трации фенолов в ней. При этом чем выше на2
чальная
концентрация, тем интенсивнее в пер0,05
1
вый период рециркуляции проистекает это
снижение. Так, при распылении коптильного
0
препарата в течение 10–20 с концентрация фе0
1
2
3
4
5
6
7
8
нолов снижается на 40–42 %, а при распылении
Продолжительность рециркуляции, мин
в течение 30–50 с – на 56–63 %.
Рис. 3. Зависимость концентрации фенолов от
Установленный факт обусловлен коагуляцией
продолжительности рециркуляции при распылении
и осаждением частиц коптильной среды, скорость
препарата в течение: 1 – 10 с; 2 – 20 с; 3 – 30 с;
которых пропорциональна концентрации частиц и
4 – 40 с; 5 – 50 с.
квадрату их диаметра соответственно [8]. Это проявляется в значительных подтеках коптильного препарата на внутренних поверхностях коптильной камеры,
наблюдаемых при распылении его более 20 с, когда расход препарата превышал 35 г/м3 рабочего объема
камеры за один цикл.
46
Вестник Камчатского государственного технического университета
С целью определения условий распыления коптильного препарата «ВНИРО» и последующей рециркуляции коптильной среды и их влияния на качество подкопченной продукции филе терпуга обрабатывали коптильной средой, полученной при давлении 200 кПа. Продолжительность каждого цикла распыления варьировали от 10 до 50 с, при этом расход коптильного препарата за один цикл распыления
изменялся от 20 до 96 г/м3 рабочего объема камеры, продолжительность последующей рециркуляции
варьировали от 2 до 6 мин.
Статистическая обработка экспериментальных данных позволила представить зависимость органолептической оценки (У) экспериментальных образцов филе от дозировки коптильного препарата в одном
цикле и последующей рециркуляции коптильной среды в виде уравнения (3):
У = 15,52 + 0,038х1 + 0,77х2 + 0,0037х1х2 – 0,00076х12 – 0,16х22,
(3)
где х1 – расход коптильного препарата «ВНИРО» за один цикл, г/м3;
х2 – продолжительность рециркуляции коптильной среды, мин.
Математический анализ уравнения (3) позволил определить оптимальные условия получения
коптильной среды, при которых суммарная органолептическая оценка копченых образцов не снижалась ниже 18 баллов:
х1 = 30 ± 5 г/м3; х2 = 2,5 ± 0,5 мин.
При обработке филе полученной коптильной средой исходили из того, что качество копченой
продукции зависит от количества вносимых коптильных ингредиентов, так как последние данные по
вредности для человека некоторых коптильных компонентов показали необходимость уменьшения
массовой доли компонентов до 2 мг/100 г по содержанию фенолов.
По мнению большинства исследователей, фенолы являются основными носителями аромата
и вкуса копчения [1, 9], в то же время она обладают сильным общетоксичным действием и являются
веществами второго класса опасности [10].
Для определения рациональной дозировки коптильного препарата «ВНИРО» при допустимых условиях получали коптильную среду, которой обрабатывали соленый полуфабрикат, изменяя при этом количество циклов распыления коптильного препарата. Результаты исследований представлены в табл. 4.
Таблица 4
Содержание фенолов и органолептическая оценка филе, обработанного коптильной средой
Количество циклов
распыления
8
10
13
15
20
8
10
13
15
20
8
10
13
15
20
Содержание фенолов в мышечной
ткани, мг %
Филе терпуга
0,59
1,15
1,5
2,05
2,95
Филе сельди
0,46
1,25
1,75
2,36
2,68
Филе горбуши
0,58
1,10
1,55
2,15
2,90
Органолептическая оценка, балл
17,5
17,8
18,3
18,5
16,7
16,2
18,36
18,5
16,5
16,2
16,4
18,0
19,0
16,5
16,0
Результаты анализа экспериментальных данных (табл. 4) показывают, что различное количество
циклов распыления коптильного препарата обеспечивает различную концентрацию фенолов в мышечных тканях филе, что позволяет в определенной степени регулировать качественные показатели
готовой продукции.
Все образцы филе имели оттенки запаха и вкуса копчения. Однако образцы с различной концентрацией фенолов имели и различную степень выраженности аромата и вкуса копчения. Так, например, при количестве циклов распыления 8–13 наблюдался слабо выраженный аромат и вкус, характерный для подкопченной продукции, содержание фенолов в мышечной ткани не превышало
47
Наука, техника и технологии рыбной отрасли
2 мг/100г. А при увеличении количества циклов до двадцати образцы имели резко выраженный аромат и вкус копченого продукта.
В результате эксперимента было установлено, что для получения подкопченной продукции количество циклов распыления коптильного препарата должно быть 10–13, при этом общий расход
коптильного препарата за весь цикл копчения составляет 2–2,5 % от массы обрабатываемого полуфабриката в камере.
Таким образом, результаты исследований позволили установить оптимальные параметры получения коптильной среды: давление в системе распыления коптильного препарата – 200 кПа, обеспечивающее размер частиц не более 40 мкм, расход препарата – 25–35 г/м3 рабочего объема камеры за
один цикл, время между циклами распыления – 2–3 мин, количество циклов – 10–13.
Литература
1. Ким Э.Н. Основы бездымного копчения гидробионтов: Монография. – Владивосток: Дальрыбвтуз (ТУ), 1998. – 180 с.
2. Фукс Н.А. Механика аэрозолей. – М.: Изд-во АН СССР, 1955. – С. 351.
3. Воскресенский Н.А. Посол, копчение и сушка рыбы. – М.: Пищ. пром-сть, 1966. – 564 с.
4. Пажи Д.Г., Галустов В.С. Основы техники распыливания жидкости. – М.: Химия, 1984. – 254 с.
5. Weiss M., Worsham C. – Chem. Eng. Sci., 1960, vol. 12, p. 24 – 26.
6. Курко В.И. Основы бездымного копчения. – М.: Лег. и пищ. пром-сть, 1984. – 232 с.
7. Хван Е.А. Обработка рыбы копчением. – М.: Пищ. пром-сть, 1976. – 112 с.
8. Курко В.И. Химия копчения. – М.: Пищ. пром-сть, 1969. – 343 с.
9. Ким И.Н., Коротков В.И. Производство копченой продукции (эколого-гигиенические и технологические аспекты): Монография. – Владивосток: Дальнаука, 2001. – 247 с.
УДК 26.221
3B
АНАЛИЗ ФЛОРЫ КАМЧАТСКОГО ПОБЕРЕЖЬЯ
МЕТОДОМ КОНКРЕТНЫХ ФЛОР
4B
5B
Н.Г. Клочкова, В.А. Березовская, А.Р. Ляндзберг (КамчатГТУ)
В статье приводится видовой состав флоры водорослей-макрофитов всех 10 флористических районов камчатского побережья и Авачинской губы. Их сравнительный анализ при помощи
статистических и математических методов свидетельствует о том, что на уровне связи 72 %
все конкретные флоры, за исключением флоры первого участка, представляют собой единую
систему. Видовой состав флоры каждого отдельного района неравноценен. Наиболее оригинальными являются флоры Кроноцкого и Авачинского заливов. В них включаются конкретные флоры
почти всех остальных районов на уровне связи от 68 до 80 %. Полученные данные показывают,
что флору Авачинской губы можно рассматривать как аналог конкретной флоры.
In article species composition of macroalgae flora of all 10 floral areas of the Kamchatka coast and
Avacha bay is given. Their comparative analysis with the help of statistical and mathematical methods
suggests that at a level of communication 72 % all specific flora of the areas, with the exception of the
first area's flora, is a united system. Species composition of each flora's definite areas are not equivalent.
Most original of them are flora of Kronotsky gulf and Avacha bay. Specific flora almost of all other areas
at a level of communication from 68 up to 80 % is included in them. These data shows that flora of Avacha bay can be considered as analogue of specific flora.
Загрязнение окружающей среды и его неблагоприятное воздействие на живые организмы являются важнейшими проблемами современности. Сильно подвержены загрязнению в Мировом океане
наиболее продуктивные районы морских прибрежий, что оказывает негативное влияние на населяющие их морские организмы. При этом происходит изменение качества вод, структуры и состава сообществ, снижение биоразнообразия. Особенно велико негативное воздействие загрязнения на экосистемы холодоумеренных вод с низкой самоочищающей способностью.
В течение трех десятилетий мы изучали воздействие загрязнения на макрофитобентос. В прибрежных зонах бореальных морей водоросли-макрофиты являются основными продуцентами органического вещества, играя ключевую роль в жизни сообщества, поэтому от их состояния зависит стабильность экосистем и их способность к самовосстановлению после антропогенного воздействия [1].
Изучение процессов антропогенной деструкции макрофитобентоса проводилось в Авачинской
48
Вестник Камчатского государственного технического университета
губе, которая является одним из наиболее загрязненных районов прибрежных вод Камчатки [2]. Авачинская губа, расположенная на юго-восточном побережье Камчатки, выделяется среди других бухт
большими размерами, своеобразной формой и рельефом (рис. 1). Для того чтобы доказать возможность экстраполяции полученных данных на другие районы, был проведен анализ флор камчатского
побережья методом конкретных флор.
Для проведения сравнительного анализа были использованы результаты последних ревизий морских альгофлор восточной [3] и западной Камчатки [4]. В этих работах обобщается информация
о видовом составе макрофитобентоса десяти районов камчатского побережья. В системе фитогеографического районирования, предложенной Н.Г. Клочковой [5], эти районы выделены как самостоятельные конкретные флоры. В системе альгофлористического районирования северо-западной Пацифики, основанной на анализе распространения Rhodophyta, многие из этих районов также
рассматриваются как минимальные единицы флористической иерархии [6].
Видовой состав альгофлор десяти районов Камчатки приводится в таблице приложения. В его
основе лежат данные вышеупомянутых публикаций. Сравнительному анализу подвергнуты флоры
районов побережья камчатского полуострова, семь из которых расположены у восточной, а три – у
западной Камчатки (рис. 2). В качестве дополнительного одиннадцатого района в таблицу включена
флора Авачинской губы. Для того чтобы нагляднее показать ее ранг, виды, которые встречаются
только в губе, в список нами не были включены флоры Авачинского залива.
Сравниваемые флористические районы охватывают следующие участки побережья: I участок:
м. Наварина – м. Олюторский; II участок: Олюторский залив в пределах географических границ
(м. Олюторский – м. Тавухин); III участок: заливы Корфа и Карагинский в пределах географических
границ (м. Говена – м. Озерной); IV участок: Озерновский и Камчатский заливы в пределах географических границ (м. Озерной – м. Кроноцкий); V участок: Кроноцкий залив в пределах географических границ (м. Кроноцкий – м. Шипунский); VI участок: район Авачинского залива от м. Шипунского до м. Безымянный на юге; VII участок: м. Безымянный – м. Лопатка; VIII участок: м. Лопатка –
м. Утхолокский; IX участок: м. Утхолокский – м. Баджедомова; X участок: м. Баджедомова – м. Тайганос; XI участок: Авачинская губа в пределах географических границ (м. Маячный – м. Безымянный).
Рис. 1. Карта-схема расположения Авачинской губы
49
Наука, техника и технологии рыбной отрасли
При проведении своих исследований мы считали, что флора каждого из этих участков представляет собой вполне однородную, дифференцированную только экологически, минимальную единицу флористической иерархии и соответствует определению конкретной флоры, данному
А.И. Толмачевым [7]. В соответствии с его воззрениями, конкретная флора – это флора определенного, достаточно большого района, характеризующегося большим разнообразием экологических условий, и имеющая характерный, свойственный только этой территории видовой состав. Она достаточно
консервативна и обладает значительной устойчивостью.
Общий список камчатской флоры макрофитов включает 255 наименований (таблица приложения). На основании данных, приведенных в этой таблице, для каждого из десяти районов камчатского
побережья был определен видовой состав и рассчитаны матрицы пересечений десяти конкретных
флор и флоры Авачинской губы по общему видовому составу и по каждому из отделов (рис. 3).
Сравнение флор этих районов показывает, что они различаются по качественному и количественному
составу видов и не выделяются особым богатством. Состав конкретных флор колеблется от 31 до 188
видов. Подавляющее большинство из них, за исключением V, VI и XI районов, составляет не более
1/2 или даже 1/3 видового состава всей камчатской флоры.
Рис. 2. Флористические районы на побережье Камчатки (
– границы районов)
При анализе изменения численности видов от одного участка к другому видно, что при продвижении с юга на север число видов, родов и семейств уменьшается. В одних случаях это является реальным их уменьшением, связанным с изменением условий обитания в северных широтах, в других –
отражением слабой изученности флоры района. Н.Г. Клочкова [5] указывает, что достаточно объективную характеристику состояния изученности флоры дает содержание в ней количества видов с
микроскопическими или очень мелкими слоевищами (до 0,5 см длины), которые зачастую пропускаются при сборах или не определяются в ходе камеральной обработки. Кроме них, слабо изученными
оказываются виды, имеющие корковые слоевища (в основном представители порядка Corallinales),
поскольку они, как и микроскопические виды, часто выпускаются при сборах и их идентификация
требует использования специальных, трудоемких методов обработки.
Особенно низким уровнем изученности микроскопических и корковых видов характеризуется
западная Камчатка. Поэтому резкое падение численности флоры на участках побережья м. Наварина
- м. Олюторский (I участок), м. Безымянный - м. Лопатка (VII), м. Баджедомова – м. Тайганос (X)
можно объяснить недостаточной ее изученностью.
50
Вестник Камчатского государственного технического университета
I II III IV V VI VII VIII
I 31 29 28 28 26 29 27 26
II
110 78 82 82 93 68 69
III
108 89 86 95 76 76
IV
124 96 110 84 81
V
130 116 95 89
VI
188 112 99
VII
116 82
VIII
А
113
IX
X
XI
I II III IV V VI VII VIII
I 13 12 11 11 10 11 11 9
II
27 23 20 22 21 18 17
III
32 26 28 28 26 22
IV
31 28 30 26 23
V
37 33 31 27
VI
51 36 29
VII
37 26
VIII
В
34
IX
X
XI
IX
27
69
69
78
79
92
73
93
111
X
26
61
57
65
61
70
55
72
77
90
IX
9
16
21
21
23
26
22
27
33
X
9
14
15
15
14
17
14
15
18
24
XI
28
90
93
106
112
156
105
96
89
69
165
XI
10
22
28
28
33
43
34
28
25
16
47
I
II
III
IV
V
VI
VII
VIII
IX
X
XI
I II III
5 4 4
22 12
17
IV
4
15
15
25
V
3
17
16
20
27
VI
5
19
17
23
24
37
VII
3
8
10
11
11
15
15
Б
VIII
4
14
14
18
19
22
12
22
IX
5
15
14
19
18
23
13
20
23
X
4
13
11
15
15
17
9
17
17
18
I II III IV V VI VII VIII IX X
I 13 13 13 13 13 13 13 13 13 13
II
61 43 47 43 53 42 38 38 34
III
59 48 42 50 40 40 34 31
IV
68 48 57 46 40 38 35
V
66 59 53 43 38 32
VI
100 61 48 43 36
VII
64 44 38 32
VIII
Г
57 46 40
IX
55 42
X
48
XI
XI
5
18
17
22
24
31
13
22
21
17
32
XI
13
50
48
56
55
82
58
46
43
36
86
Рис. 3. Матрицы пересечений 10 конкретных флор камчатского побережья и Авачинской
губы (XI) по общему видовому составу (А), Chlorophyta (Б), Phaeophyta (В), Rhodophyta (Г)
При проведении сравнительного анализа флор десяти различных районов Камчатки и флоры
Авачинской губы их сходство определяли с помощью коэффициентов Жаккара (Кj) и Серенсена–
Чекановского (Кcs) [8]:
c 100 %
2 c 100 %
;
K cs =
,
a+b−c
a+b
где а – во всех случаях число видов в одном районе, в – число видов в другом районе; с – число видов, общих для двух районов.
Сравнение десяти конкретных флор камчатского побережья между собой и с флорой Авачинской
губы (XI) с помощью этих коэффициентов показывает, что общность большинства соседних пар
флор превышает 72 % по Серенсену–Чекановскому и 56 % по Жаккару (табл. 1).
Kj =
Таблица 1
Коэффициенты сходства конкретных флор по Жаккару (Кj) и Серенсену–Чекановскому (Кcs), %
Показатели и районы
Кcs
I
II
III
IV
V
VI
VII
VIII
IX
X
XI
I
100
41
40
36
32
26
37
36
38
43
28
II
26
100
72
70
68
62
60
62
62
61
65
III
25
56
100
77
72
64
68
69
63
58
68
IV
22
54
62
100
76
70
70
68
66
61
79
V
19
52
56
61
100
73
77
73
66
55
76
Кj
VI
15
45
47
54
57
100
74
66
61
50
88
VII
22
42
51
54
68
58
100
72
64
53
75
VIII
22
45
52
52
58
49
56
100
83
71
69
IX
23
45
46
51
49
44
47
71
100
77
64
X
27
44
40
44
38
34
36
55
62
100
54
XI
17
49
52
58
61
79
60
53
48
37
100
В отдельных случаях сходство флор достигает 76, 77 и даже 88 %. Общность флоры Авачинской
губы и Авачинского залива составляет, как это видно из таблицы, 88 %, а ее сходство с большинст51
Наука, техника и технологии рыбной отрасли
вом других районов находится в пределах 64–76 %. Дендрограмма включения-сходства конкретных
флор приведена на рис. 4. Она дает представление об иерархии всех возможных объединений сходных
конкретных флор и показывает, что они разбиваются на две группы. Одна объединяет флоры западного побережья Камчатки, другая – восточного, от третьего до седьмого участков, включая и XI участок, соответствующий флоре Авачинской губы. На уровне связи 72 % все конкретные флоры, за исключением флоры первого участка, представляют собой единую систему.
Специфичность и взаимоотношения конкретных флор были определены также с помощью теоретико-графовых методов [9, 10]. Путем сравнения видового состава каждой пары конкретных флор
составлялась матрица абсолютных мер сходства, где по диагонали указывалось число видов в каждой
конкретной флоре, а на пересечении строки и столбца указывалось число видов, общих для двух районов. По этой матрице высчитывалась матрица мер включения путем деления каждого элемента
строки на соответствующий диагональный элемент.
Рис. 4. Дендрограмма включения-сходства флор районов
Из ориентированного графа включения-сходства флор (рис. 5) видно, что флоры отдельных районов неравноценны. Наиболее оригинальными из них являются флоры 5-го и 6-го районов (Кроноцкого
и Авачинского заливов). В них включаются конкретные флоры почти всех остальных районов на уровне от 68 до 80 %. При этом флора Кроноцкого залива на уровне 68 % включается во флору более богатой Авачинской губы, а сама губа на уровне сходства 95 % включается во флору Авачинского залива.
Расположение дуг ориентированных графов включения-сходства для Rhodophyta, Phaeophyta
и Chlorophyta практически повторяет их расположение на рис. 5. При этом самый высокий уровень связи конкретных флор демонстрируют зеленые и красные водоросли. По составу Chlorophyta и Rhodophyta флоры всех, кроме первого, сравниваемых участков связываются в единую систему на уровне
70 %, а по составу Phaeophyta – 65 %. Приведенные данные показывают, что флора Авачинской губы
имеет сходство с флорами соседних районов не только в целом, но и по каждому из отделов водорослей.
Рис. 5. Ориентированные графы
включения-сходства десяти конкретных флор
камчатского побережья и флоры Авачинской губы
(XI) по общему видовому составу
52
Вестник Камчатского государственного технического университета
Все приведенные данные показывают, что флору Авачинской губы можно рассматривать как
аналог конкретной флоры. Это дает основание для экстраполяции данных, полученных при изучении
изменений макрофитобентоса Авачинской губы на флоры других участков камчатского побережья.
Литература
1. Бурдин К.С., Золотухина Е.Ю. Тяжелые металлы в водных растениях (аккумуляция и токсичность). – М.: Диалог МГУ, 1998. – 202 с.
2. Березовская В.А. Авачинская губа. Гидрохимический режим, антропогенное воздействие. –
Петропавловск-Камчатский: КГАРФ, 1999. – 156 с.
3. Klochkova N.G. An Annotated Bibliography of Marine Macroalgae of the Northwest Coast of the
Bering Sea and Southeast Kamchatka. First Revision of Flora // Algae (Formerly the Korean Journal of Phycol.), 1998. V. 9, № 5. – 90 p.
4. Клочкова Н.Г., Березовская В.А. Водоросли камчатского шельфа. Распространение, биология,
химический состав. – Владивосток: Дальнаука, 1997. – 154 с.
5. Клочкова Н.Г. Водоросли-макрофиты дальневосточных морей России // Автореф. дис. …
докт. биол. наук. – Владивосток, 1998. – 45 с.
6. Перестенко Л.П. Красные водоросли дальневосточных морей России. – СПб.: Ольга, 1994. – 331 с.
7. Толмачев А. И. Введение в географию растений. – Л.: Высшая школа, 1974. – 234 с.
8. Шмидт В.М. Статистические методы в сравнительной флористике. – Л.: ЛГУ, 1980. – 175 с.
9. О методике многомерного анализа соотношения растительности с экологическими факторами /
Семкин Б.И., Петропавловский Б.С., Комкарев А.В., Варченко Л.И., Усольцева Л.А. // Ботанический
журнал. – 1986. – Т. 71. – № 9. – С. 1167–1181.
10. Семкин Б.И. О математических методах выделения растительных ассоциаций // В кн.: Эмпирические методы исследования растительных сообществ. – Владивосток: ДВНЦ АН СССР, 1988. –
С. 2–28.
Приложение
Таблица
Флора водорослей-макрофитов десяти флористических районов Камчатки
и Авачинской губы (XI)*
№
Вид водорослей
1
2
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
CHLOROPHYTA –
Зеленые водоросли
Порядок Siphonales
Сем. Cladophoraceae
Derbesia marina
Порядок Siphonocladales
Сем. Cladophoraceae
Chaetomorpha linum
Chaetomorpha melaganium
Cladophora rupestris
Cladophora speciosa
Rhizoclonium implexum
Rhizoclonium riparium
Rhizoclonium tortuosum
Порядок Ulotrichales
Сем. Ulotrichaceae
Ulothrix flacca
Ulothrix implexa
Ulothrix pseudoflacca
Порядок Chaetophorales
Cем. Сhaetophoraceae
Endophyton ramosum
Entocladia flustrae
Entocladia viridis
Zygomitus reticulatus
Порядок Acrosiphoniales
Сем. Acrosiphoniaceae
Acrosiphonia arcta
Флористический район
V
VI
VII VIII
7
8
9
10
I
3
II
4
III
5
IV
6
–
–
–
+
–
–
–
–
–
–
–
–
–
-
–
–
–
+
+
+
+
+
+
–
–
+
–
+
+
+
–
+
+
–
+
+
+
–
+
+
+
+
+
+
–
+
+
+
+
–
–
–
–
+
+
–
–
+
+
–
+
–
–
+
–
–
–
–
+
+
–
–
–
–
–
–
–
+
–
–
–
+
–
+
* Границы флористических районов указаны на с. 49.
53
IX
11
X
12
XI
13
–
–
–
–
+
+
–
–
–
–
+
+
+
–
–
+
+
+
+
+
–
–
+
+
+
+
–
+
–
+
+
+
+
+
–
+
+
+
+
+
+
+
–
–
+
+
–
+
+
–
+
+
–
+
+
+
+
–
–
–
–
–
+
+
+
–
–
+
–
–
–
–
–
–
–
+
–
–
–
–
–
–
–
–
–
+
+
–
+
+
+
+
Наука, техника и технологии рыбной отрасли
Продолжение таблицы
1
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
2
Acrosiphonia duriuscula
Acrosiphonia saxatilis
Urospora elongata
Urospora penicilliformis
Urospora vancouveriana
Urospora wormskjoldii
Порядок Chlorococcales
Сем. Endosphaeraceae
Chlorochytrium inclusum
Chlorochytrium schmitzii
Codiolum cylindraceum
Codiolum gregarium
Порядок Ulvales
Сем. Capsosiphonaceae
Capsosiphon groenlandicum
Сем. Monostromataceae
Blidingia chadefaudii
Blidingia minima
Blidingia subsalsa
Monostroma crassidermum
Monostroma grevillei
Сем. Kornmanniaceae
Kornmannia zostericola
Сем. Gayraliaceae
Protomonostroma undulatum
Сем. Ulvaceae
Enteromorpha clathrata
Enteromorpha flexuosa
Enteromorpha linza
Enteromorpha procera
Enteromorpha prolifera
Percursaria percursa
Ulva fenestrata
Ulvaria splendens
Порядок Schizogoniales
Сем. Prasiolaceae
Prasiola borealis
Rosenvingiella constricta
PHAEOPHYTA –
Бурые водоросли
Порядок Есtocarpales
Сем. Ectocarpaceae
Ectocarpus siliculosus
Hincksia ovata
Laminariocolax tomentosum
Streblomena corymbiferum
Streblonema oligosporum
Pylaiella divaricata
Pylaiella littoralis
Pylaiella gardneri
Pylaiella varia
Порядок Chordariales
Сем. Elachistaceae
Elachista fucicola
Halothrix lumbricalis
Leptonematella fasciculata
Сем. Corynophlaeaceae
Petrospongium rugosum
Leathesia difformis
Leathesia nana
Сем. Chordariaceae
Chordaria flagelliformis
Chordaria gracilis
Eudesme virescens
Saundersella simplex
3
–
+
–
+
–
–
4
–
–
–
+
–
+
5
–
–
–
+
–
+
6
+
–
–
+
–
+
7
+
–
+
+
+
+
8
+
+
–
+
+
+
9
+
–
–
+
–
+
10
+
+
–
+
–
+
11
+
+
–
+
–
+
12
+
+
–
+
–
+
13
+
+
–
+
–
+
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
+
–
–
–
+
–
–
–
+
+
+
+
–
–
–
–
+
–
–
–
+
–
–
–
–
–
–
–
+
+
+
–
–
+
–
+
+
+
–
+
+
+
+
–
–
–
+
–
–
+
+
+
–
+
+
–
+
+
+
–
–
+
+
+
+
–
–
+
+
+
+
+
+
–
–
+
–
+
–
+
–
–
+
–
–
+
+
+
–
–
–
–
–
+
+
–
+
+
–
–
–
+
+
+
–
–
–
–
+
–
–
–
+
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
+
+
+
–
+
+
+
+
+
+
+
+
+
–
+
–
+
+
+
–
+
–
+
–
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
–
+
–
+
+
–
–
–
–
+
–
+
+
+
–
+
–
+
–
+
+
+
–
+
–
+
–
+
+
+
–
+
–
+
–
+
+
+
+
+
–
+
+
+
+
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
+
+
+
+
+
–
–
–
–
–
+
+
+
–
–
–
–
–
+
–
–
+
–
–
–
–
–
+
–
–
+
–
–
–
–
–
+
–
–
+
–
–
–
–
–
+
–
–
+
–
+
–
–
–
+
+
–
+
+
+
+
–
+
+
+
+
+
–
+
–
–
–
+
+
–
+
–
–
–
+
–
+
+
–
+
–
–
–
+
–
+
–
–
+
–
–
–
–
–
+
–
–
+
–
+
–
–
–
+
+
+
–
–
–
–
+
+
–
+
–
–
+
–
–
+
–
+
+
–
–
–
–
–
–
–
+
–
–
+
–
–
–
+
+
–
–
–
–
–
–
–
–
–
+
–
+
+
+
+
+
+
–
+
+
–
+
+
–
–
+
–
–
–
–
+
+
–
–
–
–
–
+
–
–
–
+
–
–
+
+
+
–
+
+
–
–
+
+
+
–
+
+
–
–
+
+
–
–
–
+
–
–
+
+
–
–
–
+
+
+
+
54
Вестник Камчатского государственного технического университета
Продолжение таблицы
1
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
110
2
Sphaerotrichia divaricata
Сем. Lithodermataceae
Lithoderma fatiscens
Pseudolithoderma rosenvingii
Порядок Ralfsiales
Сем. Ralfsiaceae
Analipus filiformis
Analipus japonicus
Ralfsia fungiformis
Ralfsia verrucosa
Порядок Punctariales
Сем. Punctariaceae
Melanosiphon intestinalis
Myelophycus simplex
Punctaria plantaginea
Сем. Delamareaceae
Delamarea attenuata
Сем. Striariaceae
Stictyosiphon tortilis
Сем. Dictyosiphonaceae
Coilodesme bulligera
Coilodesme fucicola
Dictyosiphon chordaria
Dictyosiphon foeniculaceus
Dictyosiphon hyppuroides
Порядок Scytosiphonales
Сем. Scytosiphonaceae
Colpomenia sinuosa
Petalonia fascia
Petalonia zosterifolia
Scytosiphon dotyi
Scytosiphon lomentaria
Soranthera ulvoidea
Порядок Desmarestiales
Сем. Desmarestiaceae
Desmarestia intermedia
Dichloria viridis
Порядок Laminariales
Сем. Chordaceae
Chorda filum
Сем. Laminariaceae
Agarum cribrosum
Agarum turneri
Cymathere triplicata
Laminaria appressirhiza
Laminaria bongardiana
Laminaria complanata
Laminaria dentigera
Laminaria gurjanovae
Laminaria inclinatorhiza
Laminaria longipes
Laminaria solidungula
Laminaria yezoensis
Phyllariella ochotensis
Talassiophyllum clathrus
Сем. Lessoniaceae
Lessonia laminarioides
Macrocystis pirifera
Nereocystis luetkeana
Сем. Alariaceae
Alaria angusta
Alaria fistulosa
Alaria macroptera
Alaria marginata
3
–
4
–
5
–
6
–
7
–
8
+
9
–
10
+
11
+
12
–
13
+
–
–
–
–
+
–
–
–
+
–
+
+
+
–
+
–
+
–
–
–
+
–
+
–
+
–
+
–
+
–
+
–
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
–
+
+
+
–
+
+
+
–
+
+
+
+
–
–
–
+
–
+
+
–
+
+
–
–
+
–
+
+
–
–
–
–
–
+
–
–
+
+
–
+
–
–
+
–
–
–
–
–
–
–
+
–
–
–
–
+
–
+
–
–
–
+
–
–
–
–
+
–
–
–
–
–
–
–
–
+
–
–
+
–
+
–
–
–
–
+
–
–
–
–
+
–
+
+
–
+
–
+
+
–
+
–
–
–
–
+
–
–
–
–
+
+
–
–
+
+
+
+
+
+
+
–
–
+
–
–
–
–
–
+
–
+
+
–
–
+
–
–
+
–
–
+
–
–
+
–
–
+
–
+
+
+
–
+
+
–
+
+
–
+
–
–
+
+
–
+
+
–
+
–
–
+
+
–
+
–
+
+
+
–
+
–
–
+
+
–
+
+
–
–
+
–
+
–
+
–
+
–
+
+
+
+
+
–
+
–
+
–
+
+
+
+
+
+
–
+
+
–
–
+
–
+
–
–
–
+
+
–
+
–
–
+
–
–
–
+
–
–
–
+
–
+
+
–
+
+
+
–
–
+
–
–
–
+
–
+
+
–
+
–
+
–
+
+
–
–
–
+
–
+
+
–
+
–
+
–
+
+
–
+
–
+
–
+
+
–
+
–
+
–
+
+
+
+
–
+
–
+
+
–
+
–
+
–
+
+
+
+
–
+
–
+
+
–
+
–
+
–
+
+
–
+
+
+
–
+
–
+
+
–
+
+
+
+
–
–
+
–
–
–
+
+
+
–
+
+
+
–
–
–
–
+
–
–
+
–
–
–
–
+
–
+
+
–
–
+
–
+
+
–
+
–
+
–
+
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
+
–
–
–
–
–
+
–
+
–
–
–
–
+
–
–
+
–
–
–
–
–
–
–
–
+
–
–
+
+
+
+
+
+
+
+
–
+
+
+
–
+
+
+
–
+
+
+
–
+
+
+
–
+
+
+
–
+
–
–
–
–
+
+
–
+
55
Наука, техника и технологии рыбной отрасли
Продолжение таблицы
1
111
112
113
114
115
116
117
118
119
120
121
122
123
124
125
126
127
128
129
130
131
132
133
134
135
136
137
138
139
140
141
142
143
144
145
146
147
148
149
150
151
152
2
Alaria ochotensis
Сем. Arthrothamnaceae
Arthrothamnus bifidus
Порядок Sphacelariales
Сем. Sphacelariaceae
Halopteris dura
Sphacelaria arctica
Sphacelaria plumosa
Порядок Fucales
Сем. Cystoseiraceae
Cystoseira crassipes
Сем. Fucaceae
Fucus evanescens
RHODOPHYTA –
Красные водоросли
Порядок Erithropeltidales
Сем. Erythropeltidaceae
Erythrothrichia carnea
Порядок Bangiales
Сем. Bangiaceae
Bangia atropurpurea
Porphyra abbottae
Porphyra bulbopes
Porphyra gardneri
Porphyra katadai
Porphyra kurogii
Porphyra miniata
Porphyra ochotensis
Porphyra pseudolinearis
Porphyra tasa
Porphyra variegata
Порядок Acrochaetiales
Сем. Acrochaetiaceae
Acrochaetium alariae
Acrochaetium moniliforme
Acrochaetium parvulum
Audouinella concrescens
Audouinella purpureum
Chantransia microscopica
Colaconema savianum
Сем. Rhodophysemataceae
Meilodiscus spetsbergensis
Rhodophysema elegans
Rhodophysema georgii
Rhodophysema nagaii
Порядок Nemalionales
Сем. Nemaliaceae
Nemalion vermiculare
Порядок Bonnemaisoniales
Сем. Bonnemaisoniaceae
Pleuroblephariella japonica
Порядок Hildenbrandtiales
Сем. Hildenbrandtiaceae
Hildenbrandtia rubra
Hildenbrandtia occidentalis
Порядок Corallinales
Сем. Corallinaceae
Bossiella compressa
Bossiella cretacea
Clathromorphum circumscriptum
Clathromorphum compactum
Clathromorphum loculosum
Clathromorphum nereostratum
Clathromorphum reclinatum
Corallina frondescens
3
–
4
–
5
–
6
–
7
–
8
+
9
–
10
–
11
–
12
–
13
+
–
–
+
+
+
+
+
+
–
–
+
–
–
–
–
+
–
–
+
+
–
–
–
–
+
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
+
–
+
–
+
–
–
–
–
–
–
–
–
+
–
–
–
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
–
–
–
–
–
+
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
+
–
–
–
–
–
+
+
–
+
–
+
–
–
–
–
–
–
–
–
+
–
+
–
+
–
+
–
–
+
–
+
–
+
+
+
–
–
–
–
+
+
+
–
+
+
+
–
–
+
+
+
+
+
–
+
–
+
–
–
–
+
+
+
+
+
+
–
–
+
–
–
–
+
+
+
+
+
–
–
+
–
–
–
+
+
–
–
+
–
–
+
–
–
–
+
–
–
+
+
+
+
–
–
–
+
+
+
+
–
+
–
–
–
–
–
–
–
+
–
–
–
+
–
+
–
+
+
+
–
–
–
–
+
+
+
+
–
–
–
+
–
–
+
+
–
–
+
–
+
+
–
–
–
–
–
–
+
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
+
–
–
–
–
–
+
–
+
+
–
–
–
–
–
–
+
–
–
–
–
–
–
–
+
–
–
–
+
–
–
–
+
+
–
+
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
+
+
+
+
–
–
–
–
+
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
+
–
–
+
+
–
–
+
–
+
–
+
–
+
–
+
–
+
+
+
–
+
–
+
–
+
–
+
–
–
–
–
–
+
–
–
–
–
+
+
+
+
–
–
–
–
+
+
+
+
–
–
–
–
+
+
+
+
–
–
–
–
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
–
+
+
+
+
+
+
+
–
+
+
+
+
–
+
–
–
+
+
+
+
–
–
–
–
+
+
+
+
–
–
–
–
+
+
+
+
+
–
+
56
Вестник Камчатского государственного технического университета
Продолжение таблицы
1
153
154
155
156
157
158
159
160
161
162
163
164
165
166
167
168
169
170
171
172
173
174
175
176
177
178
179
180
181
182
183
184
185
186
187
188
189
190
191
192
193
194
195
196
197
198
199
200
2
Corallina officinalis
Corallina pilulifera
Leptophytum laeve
Lithothamnion sonderi
Phymatolithon lenormandii
Порядок Gigartinales
Сем. Dumontiaceae
Constantinea rosa–marina
Dumontia contorta
Neoabbottiella araneosa
Neodilsea integra
Neodilsea natashae
Neodilsea yendoana
Dilsea socialis
Сем. Endocladiaceae
Gloiopeltis furcata
Сем. Tichocarpaceae
Tichocarpus crinitus
Сем. Kallymeniaceae
Callophyllis papulosa
Callophyllis radula
Callophyllis rhynchocarpa
Euthora cristata
Сем. Crossocarpaceae
Beringia costanea
Cirrulicarpus gmelini
Cirrulicarpus ruprechtianum
Crossocarpus lamuticus
Hommersandia palmatifolia
Kallymeniopsis lacera
Velatocarpus pustulosus
Сем. Choreocolaceae
Harveyella mirabilis
Сем. Peyssonneliaceae
Peyssonnelia pacifica
Сем. Solieriaceae
Opuntiella ornata
Turnerella mertensiana
Turnerella septentrionalis
Сем. Nemastomataceae
Schizymenia pacifica
Сем. Cystocloniaceae
Fimbrifolium dichotomum
Fimbrifolium spinulosum
Сем. Gigartinaceae
Chondrus platynus
Mazzaella cornucopiae
Mazzaella japonicum
Mazzaella phyllocarpum
Сем. Petrocellidaceae
Mastocarpus pacificus
Сем. Phyllophoraceae
Сoccotylus truncatus
Порядок Ahnfeltiales
Сем. Ahnfeltiaceae
Ahnfeltia fastigiata
Ahnfeltia plicata
Порядок Palmariales
Сем. Palmariaceae
Devaleraea compressa
Devaleraea microspora
Halosaccion firmum
Halosaccion hydrophorum
Halosaccion minjaii
Palmaria callophylloides
Palmaria marginicrassa
3
–
–
–
–
–
4
–
+
+
–
–
5
–
+
+
+
+
6
–
+
+
+
+
7
+
+
+
+
+
8
–
+
+
+
+
9
–
+
+
+
+
10
–
+
+
+
+
11
–
+
–
+
+
12
–
+
–
+
–
13
–
+
+
+
+
–
–
–
–
–
–
–
–
+
–
–
+
–
–
–
–
–
+
–
+
+
–
+
–
–
–
+
–
–
+
–
–
+
+
–
+
+
+
+
+
+
–
+
+
–
–
–
+
–
+
–
–
–
–
+
–
+
–
–
–
–
–
–
–
+
–
–
–
–
–
+
+
+
+
+
+
–
–
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
–
–
–
–
–
–
–
+
+
+
–
–
–
–
+
–
–
+
+
–
–
+
+
–
–
+
+
–
–
+
+
+
+
+
+
–
–
+
+
–
–
–
+
–
–
–
+
–
–
–
+
–
+
+
+
–
–
–
–
–
–
–
–
+
+
–
+
+
+
–
+
–
–
+
–
–
–
+
–
–
+
–
+
–
+
–
–
–
–
–
+
+
–
–
+
+
+
+
+
–
–
–
–
+
–
+
–
+
–
+
–
–
+
–
+
–
+
+
–
–
–
+
–
+
–
+
+
–
+
+
+
+
–
+
+
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
+
–
+
–
–
–
–
+
–
–
–
+
+
–
+
+
–
–
+
–
–
+
–
+
+
–
–
+
–
+
+
–
+
+
+
+
+
+
+
+
–
–
–
–
–
–
+
–
–
–
–
+
–
–
+
–
+
–
+
–
+
+
+
+
+
+
+
–
+
–
+
–
+
–
–
–
–
–
–
–
–
+
–
+
–
+
+
+
–
+
–
–
–
+
–
+
+
+
–
–
–
+
+
+
–
–
+
–
–
+
+
+
–
–
–
–
–
+
–
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
–
+
–
–
–
+
–
–
–
+
+
–
–
–
+
–
–
–
+
–
+
+
+
–
–
–
–
–
+
–
+
–
–
–
+
–
–
–
–
–
+
+
+
+
–
–
–
+
+
–
+
–
–
–
+
+
+
+
+
–
+
+
+
+
+
–
–
+
+
+
+
+
–
+
+
+
+
+
+
–
–
+
–
+
+
+
–
–
–
–
+
+
+
–
–
–
–
+
+
+
–
–
–
+
+
+
+
–
–
+
57
Наука, техника и технологии рыбной отрасли
Продолжение таблицы
1
201
202
203
204
205
206
207
208
209
210
211
212
213
214
215
216
217
218
219
220
221
222
223
224
225
226
227
228
229
230
231
232
233
234
235
236
237
238
239
240
241
242
243
244
245
246
247
248
249
250
251
252
253
254
2
Palmaria monilifirmis
Palmaria stenogona
Порядок Rhodymeniales
Сем. Rhodymeniaceae
Rhodymenia pertusa
Rhodymenia stipitata
Порядок Ceramiales
Сем. Ceramiaceae
Antithamnionella nagaii
Ceamium cimbricum
Ceramium kondoi
Neoptilota asplenioides
Pleonosporum kobayashi
Ptilota filicina
Ptilota pectinata
Ptilota plumosa
Scagelia pylaisaei
Scagelia subnuda
Сем. Delesseriaceae
Congregatocarpus pacifica
Heteroglossum carnosum
Heteroglossum ochotense
Hideophyllum yezoense
Hymenena ruthenica
Membranoptera beringiana
Membranoptera dimorpha
Membranoptera serrata
Membranoptera robbeniensis
Mikamiella ruprechtiana
Myriogramme kjellmanianum
Neohypophyllum middendorphii
Pantoneura baerii
Pantoneura juregensii
Phycodrys riggii
Phycodrys serratiloba
Phycodrys vinogradovae
Tokidadendron kurilensis
Yendonia crassifolia
Сем. Rhodomelaceae
Neorhodomela aculeata
Neorhodomela larix
Neorhodomela munita
Neorhodomela oregona
Odonthalia annae
Odonthalia corymbifera
Odonthalia dentata
Odonthalia kamtschatica
Odonthalia kawabatae
Odonthalia ochotensis
Odonthalia setacea
Polysiphonia japonica
Polysiphonia morrovii
Polysiphonia urceolata
Pterosiphonia bipinnata
Pterosiphonia hamata
Pterosiphonia pinnata
Pterosiphonia sp.
Rhodomela tenuissima
Rhodomela pinnata
Rhodomela sibirica
3
–
+
4
–
+
5
–
+
6
–
+
7
–
+
8
–
+
9
–
+
10
–
+
11
+
+
12
+
+
13
–
+
–
–
–
–
+
–
–
–
+
–
+
–
+
+
+
–
+
–
+
+
+
–
–
–
–
+
–
+
–
–
–
–
–
–
+
+
–
+
–
–
+
+
–
+
+
+
–
+
–
+
+
–
+
–
+
+
–
+
–
–
+
–
–
–
–
+
+
+
–
+
+
–
–
–
+
+
+
+
+
+
+
–
–
–
–
+
+
+
+
+
–
–
–
–
–
+
–
+
+
+
+
–
–
–
–
+
–
+
+
–
+
–
–
–
–
+
–
+
–
–
+
–
–
–
+
+
+
+
+
+
+
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
+
+
+
–
–
–
+
–
–
+
+
+
+
–
+
+
–
–
–
+
+
+
–
–
–
–
–
–
–
+
+
+
–
+
+
–
–
–
+
+
+
–
–
–
+
+
+
–
–
+
+
–
+
–
+
–
–
+
–
+
–
+
–
–
–
–
–
–
+
+
–
–
–
–
+
–
+
+
+
+
–
–
+
–
–
–
–
+
–
+
+
+
–
–
–
+
+
+
–
–
–
+
–
–
–
–
+
+
+
–
–
–
–
–
+
+
+
–
+
–
–
–
+
–
–
+
+
–
–
+
–
–
+
+
–
–
–
–
+
–
–
+
+
–
+
+
–
+
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
+
+
–
+
+
–
–
–
–
+
–
+
+
+
–
–
–
+
–
+
–
–
+
–
+
+
–
–
+
–
–
–
–
+
–
–
–
–
–
–
+
+
–
–
–
+
–
–
+
+
–
–
–
–
+
–
–
+
+
–
–
+
+
–
–
–
+
–
–
–
+
–
–
–
–
+
+
–
+
+
+
–
+
+
–
–
–
+
+
+
–
+
–
+
+
–
+
–
+
+
+
–
–
+
+
–
–
–
+
+
+
+
+
–
–
+
–
+
+
–
+
+
–
–
+
+
–
–
–
+
–
–
+
+
+
+
+
+
+
+
–
+
+
–
–
+
+
+
+
+
+
–
–
+
+
–
–
+
+
+
+
–
–
+
–
–
+
+
–
–
–
+
–
–
+
+
–
–
–
+
+
–
–
+
–
–
–
+
+
–
–
–
+
–
–
+
+
–
–
–
+
+
–
–
+
–
–
–
+
+
–
–
–
+
–
–
–
+
–
–
–
+
+
–
–
+
–
–
–
+
+
–
–
–
+
–
–
–
+
–
+
+
+
+
+
–
+
+
–
+
+
+
+
–
+
+
–
–
58
Вестник Камчатского государственного технического университета
УДК 574.5
ВЛИЯНИЕ ФРЕОНОВ МЕТАНОВОГО РЯДА НА ОЗОНОВЫЙ СЛОЙ.
О РЕАБИЛИТАЦИИ ФРЕОНА 12
Х.А. Абдульманов, Е.А. Седымова (КамчатГТУ)
В работе обсуждается вопрос запрета Монреальским протоколом озоноразрушающих фреонов.
Сравнительный анализ известных озоноразрушающих факторов показывает, что вклад фреонов в разрушение озонового слоя в присутствии множества глобальных и разного рода других факторов не может быть определяющим. Поэтому отказ от таких технически и экономически выгодных хладоагентов, как фреон 12, не может быть обоснован, и решения, принятые на основе Монреальского
протокола, оказываются сомнительными. Особенно остро эта проблема возникает в настоящее время
уже для следующего широко используемого агента фреона 22.
This article deals with the point of prohibition the ozon-destructive Freons under the Montreal protocol. The comparative analysis of well-known ozon-destructive factors shows that the impact of Freons is not
the general factor. That’s why the declining of these technically and economically profitable cool-agents
such as Freon 12 is not reasonable. The resolution made on the basis of Montreal certificate appears to be
doubtful. At the present time this problem arises especially sharp for the next widely – used Freon 22.
2B
Фреон 12 успешно используется более 70 лет как рабочее вещество (холодильный агент) холодильной техники. В настоящее время стоит серьезный вопрос о замене хлорфторуглеродов (ХФУ),
разрушающих озоновый слой [1], в соответствии с Монреальским протоколом (1987 г.), принятом на
основании гипотезы калифорнийских ученых М. Молина и Ф. Роуленда. Согласно этой гипотезе, разрушение озона происходит под действием антропогенных фторхлоруглеродов – фреонов, распадающихся под действием солнечного излучения и при этом поставляющих активные радикалы хлора,
которые и разрушают озон. Наиболее подробно экологические гипотезы и экономические основы
проблемы разрушения озонового слоя фреонами даны Вивиан Шеридан [7].
Замена дешевых и технологически выгодных фреонов метанового ряда новыми фреонами
с большим количеством углеродных атомов грозит огромными экономическими потерями для нашей
страны, так как предстоит полная модернизация холодильного хозяйства и переход на новую технологию. Самым главным препятствием в решении этого вопроса является Монреальский протокол,
положения которого не могут служить научным обоснованием для принятия последующих решений
при создании и производстве новых «озонобезопасных» холодильных агентов. На основе сомнительного в научном плане Монреальского протокола разрабатываются планы научных работ, защищаются научные диссертации, присуждаются государственные премии. Об этом недвусмысленно сказано
в статье С.О. Филина [4]. На основании Монреальского протокола могут быть в ближайшее время
введены в действие документы, запрещающие к использованию фреон 22. На страницах журнала
«Холодильный бизнес» [1–5] прошла скромная дискуссия о влиянии холодильных агентов серии
ХФУ (фреон 11, 12, 502 и др.) на озоновый слой атмосферы.
Холодильный мир пережил и переживает бум поиска новых холодильных агентов [9]. Несмотря на то
что результаты пока неутешительны, поиск новых холодильных агентов – отрадное явление, но хотелось
бы, чтобы этот поиск шел не только в соответствии с Монреальским протоколом. Ниже мы приводим еще
одну попытку обобщения высказываний по вопросу разрушения озонового слоя атмосферы.
Озон составляет несколько десятимиллионных долей в объеме земной атмосферы, но играет ведущую роль в защите поверхности Земли от жесткого солнечного излучения, поглощая большую часть
ультрафиолетового диапазона излучения (230 – 290 нм), губительного для всего живого на Земле. Впервые содержание озона в атмосфере начали изучать в конце 50-х годов прошлого столетия, т. е. не более
пятидесяти лет назад. Проблема разрушения озона привлекла внимание ученых, когда в 1985 г. британская антарктическая служба сообщила о том, что содержание озона в атмосфере над станцией Халд-Бей
за период с 1977 по 1984 гг. уменьшилось на 40 %, т. е. в полярной зоне появилась озоновая дыра.
Состав ХФУ ясен из их названия. Это нетоксичные, невзрывоопасные, негорючие, не имеющие
запаха вещества. ХФУ успешно используются для получения озонидов металлов при низких температурах как инертная среда, не вступающая в реакцию с реагентами: металлами, озоном и озонидами.
Давно известен способ выделения озона с целью отделения от кислорода: после реакции получения
озона в тихом электрическом разряде в озонаторах (электроды – алюминий или медь) его растворяют
во фреонах при низкой температуре. Кислород во фреонах практически не растворяется, наиболее
удобны фреоны 12 и 22. Растворимость озона в них при –163 °С достигает 50 %, при нагревании такого раствора первым испаряется озон. Растворы озона во фреонах не взрывчаты, могут длительно
храниться при низкой температуре [8, 10].
59
Наука, техника и технологии рыбной отрасли
С 1931 г. было произведено около 15 миллионов тонн ХФУ, и две трети из них – за последние
15 лет [11]. По расчетам, ХФУ «живут» в атмосфере в течение 70–100 лет. Существует мнение, что
эти инертные вещества не распадаются в тропосфере (нижний слой атмосферы – примерно 20 км) и в
течение нескольких месяцев благодаря движениям воздушных масс проникают в стратосферу, верхняя граница которой находится на высоте около 50 км. Хотя озон наблюдается в атмосфере от самой
поверхности Земли до высот 80–90 км, вертикальное распределение озона таково, что позволяет говорить о слое озона на высотах 15–30 км, с максимально зависящим от широты места в полярных областях – 11–14 км, в умеренных широтах – 19–21 км и в тропических широтах – 24–27 км. Существенно, что температурная стратификация в атмосфере такова, что на максимальное содержание озона
приходится температура значительно ниже 0 °С и в среднем составляет по всем широтам около
–56,6 °С. Давление в этой области составляет порядка 1/32 доли атмосферы, в интервале 15–50 гПа,
что составляет в среднем около 31–32 гПа, максимальное содержание озона в этой области – 10-5–10-6
объемных процентов [12]. На рис. 1 приведены данные для зоны умеренных широт Земли [6]: изменения температуры и содержания озона в атмосфере в зависимости от высоты над уровнем Земли. На
основании приведенных данных можно сделать выводы, что фреоны метанового ряда являются
инертными веществами, сами не взаимодействуют с озоном и никак не могут быть поставщиками
хлора, разрушающего озон. В таком случае возникает вопрос: какими данными апеллировали при
введении в действие документов, запрещающих использование таких фреонов?
Рис. 1. Изменение температуры и содержания озона
В литературе продолжается дискуссия о компетентности оснований для запрета по Монреальскому протоколу производства и использования так называемых «озоноразрушающих фреонов», в
число которых входит известный фреон 12 (СF2 Cl2).
Российские ученые из отдела озонного мониторинга Центральной аэрологической обсерватории
(Московская обл.) Г. Крученицкий и А. Звягинцев совместно с членом-корреспондентом РАН
В. Зуевым из Института оптики атмосферы СО РАН (г. Томск) тщательно проанализировали данные
о содержании озона за двадцать с лишним лет, полученные с помощью новейшей спутниковой аппаратуры ТОМS, и установили, что озоновый слой восстановился, и это при максимальном за все время
использования фреонов их количестве в стратосфере и других сферах. Они обращают внимание на
то, что восстановление озона нельзя объяснить мерами, принятыми мировым сообществом [13]. Колебания содержания озона в озоновом слое – сложный комплекс процессов не только земных, но и
космических, которые нужно изучать. Уже обнаружена связь изменений в озоновом слое и содержания озона с двухлетним (28 месяцев) и одиннадцатилетним циклами солнечной активности, с так называемыми североатлантическим и южным колебаниями, связанными с Эль–Ниньо [14]. Самое удивительное, что влияние солнечной активности на озоновый слой было обнаружено более четверти
века назад. 4 августа 1972 г. американский спутник «Нимбус» зафиксировал понижение содержания
озона над полярными шапками Земли, произошедшее в результате мощной вспышки на Солнце, сопровождавшейся резким усилением потока космических лучей (И.Ю. Никаноров, г. Тула).
В публикациях также не учитывается взаимодействие сложных химических каталитических циклов, о которых мы не все знаем и которые присутствуют и поддерживают довольно стабильное рав60
Вестник Камчатского государственного технического университета
новесие в системе «озоновый слой в атмосфере». А.Д. Данилов в своей книге популярно изложил
данные о химических процессах, происходящих в атмосфере. Он пишет, что пока известно три цикла,
которые воздействуют на содержание озона, – это циклы NOx, HОx и ClOx. При одновременном действии всех трех циклов их суммарный эффект не будет равен сумме индивидуальных эффектов, а будет меньше последнего. Так, при одновременном присутствии в стратосфере большого количества
NОx и ClOx начинает активно образовываться нейтральное соединение ClONО2 (нитрат хлора). При
его рождении гибнет по одному активному участнику каждого из двух циклов,
а сам он в разрушении озона не принимает участия. Не очень активен нитрат хлора ClONО2 и по отношению к другим атмосферным соединениям, эта молекула должна жить довольно долго – до разрушения в результате фотодиссоциации. Таким образом, природой в виде ClONО2 как бы поставлен
барьер для активной деятельности по разрушению озона одновременно в азотном и хлорном циклах.
По некоторым оценкам, уменьшение концентрации озона на 7 %, которая получается по хлорному
циклу, без учета роли нитрата хлора, снижается до 2 % при учете роли этого «ограничителя». Совсем
непросто взаимодействуют между собой азотный и водородный циклы. Здесь вновь и речи не идет о
простом сложении эффектов от двух циклов. Наоборот, показано, что наличие значительных количеств HОx не только замедляет работу азотного цикла, но может привести к обратному эффекту –
увеличению концентрации озона [11]. Современный подход к проблеме влияния на слой озона описанных выше циклов состоит в построении сложных моделей. Такие модели сложны, потому что
должны учитывать огромное количество химических реакций (100–200 и более), а также потому, что
они должны быть трехмерными, чтобы учесть эффекты вертикального и горизонтального переноса
озона, роль тех и других циклов. Эти процессы играют большую роль в жизни озонового слоя (как и
в жизни любой системы, необходимо учитывать множество факторов) и могут существенно изменять
результаты того или иного антропогенного воздействия, рассчитанного только с учетом лишь фотохимии, как сделано во многих работах.
Очень интересна гипотеза разрушения озона в результате «водородной продувки», вулканического воздействия и дегазации недр. Извержения вулканов поставляют огромное количество компонентов на высоту стратосферы. Например, постоянно действующий вулкан Эребус (3 797 м, 77,52°
ю. ш. и 167,15° в. д.) согласно исследованиям, проведенным в начале 1990-х гг. выбрасывает ежесуточно 90 тонн хлористого водорода HCl даже в относительно спокойный период. Поскольку HCl попадает практически непосредственно в стратосферу, он должен накапливаться в зимнее время внутри
циркумполярного вихря и разлагаться, давая атомарный хлор [17]. Этот вулкан находится в прямой
видимости со станции Мак–Мердо, где как раз в период его наибольшей активности изучали озоновую дыру. Именно тогда решили, что озоновая дыра увеличивается в результате попадания в атмосферу фреонов! Кроме хлористого водорода, вулканы извергают огромное количество пара, водорода
и других компонентов, далеко не безопасных для озонового слоя.
В результате вышесказанного становится ясно, что баланс образования и разрушения озона связан с количественным влиянием множества факторов, которые до сих пор мало или совсем не изучены, не определены размеры этих влияний, поэтому имеющиеся знания не позволяют сделать достоверные и корректные
выводы. Связывать же разрушение озоновой оболочки с влиянием одного фактора не научно.
Литературный анализ позволяет сделать некоторые заключения о проблеме озоноопасности
фреонов метанового ряда.
Известно, что:
– озоновый слой изучается менее 50 лет;
– время жизни фреонов метанового ряда – более 50 – 70 лет в атмосфере;
– фреоны используются как инертная среда для получения неустойчивых, очень реакционноспособных, взрывчатых озонидов металлов;
– во всех доводах и расчетах практически всеми учитываются только фотохимические реакции
и игнорируются другие химические процессы, а также химические циклы;
– не изучено влияние на химические процессы давления Р, температуры Т, количественного состава веществ Х в зоне озонового слоя;
– не известно, какую роль могут играть ионные процессы (хотя ионы присутствуют в стратосфере и
они ничуть не «хуже», чем такие же частицы на высоте 60 км, тем не менее принята концепция ионосферы, связанная с распространением радиоволн: ионосфера начинается на высоте 50 – 60 км);
– не изучены вклады тех или иных процессов;
– озоноразрушающих факторов много и вклады их в разрушение озона мало либо совсем не
изучены. Вот некоторое их количество:
– космические процессы: влияние солнечной активности, магнитное поле Земли и т. д.;
– геологические процессы: вулканизм, глубинная водородная дегазация, землетрясения и т. п.;
61
Наука, техника и технологии рыбной отрасли
– естественные процессы: лесные пожары, пылевые бури, образование аэрозолей, молниевые
разряды, Эль–Ниньо и т. д.;
– динамические процессы в атмосфере: внутренние гравитационные, турбулентная диффузия в
стратосфере, циклоническаие процессы и т. д.
– антропогенные причины: сверхзвуковая авиация, применение азотных удобрений, ядерные
взрывы, импульсный разряд и ударная волна, использование фреонов [1–12, 17].
Данные об озоноразрушающем потенциале (ОДП) фреонов на сайте NASA в Интернете, на которые ссылается И.К. Ларин, представляют собой четкую зависимость озоноразрушающего потенциала
от времени жизни этих фреонов [10–16]. Как и какими расчетами получены такие данные, в статьях
не приводится, но делается вывод, что если фреоны быстро распадаются, они менее опасны для озона, т. к. успевают распасться уже в тропосфере (у поверхности Земли) и не могут попасть в стратосферу. Но, как правило, соединения, если они легко распадаются, должны образовывать более прочные связи с другими компонентами, т. е. короткое время жизни не является показателем их
безвредности, особенно если учесть образование фосгена при распаде. Поэтому эти данные также
вызывают сомнения. В.А. Исидоров справедливо предупреждает о токсичности, «озонобезопасных»
фреонов, в результате реакций которых образуется ядовитый газ фосген CF2 = O, причем в лабораторных условиях он образуется со 100-процентным выходом, и дополнительно на каждую молекулу
фосгена образуются активные радикалы хлора Cl* – вредного для озона. Стоит учесть тот факт, что
так называемые «озонобезопасные» фреоны – фреоны с большим количество углеродных атомов
в молекуле. Это значит, что выход фосгена увеличивается пропорционально количеству атомов углерода. Фосген уже образуется в зоне горящей сигареты при температурах выше 400 °С, и он накапливается в нижних слоях тропосферы достаточно быстро, так что возникает угроза для жизни людей
[17, 18]. Мы не можем рассмотреть такие реакции в рамках данной статьи, но их можно увидеть
в учебниках химии или в справочной литературе, где также приводятся и энергии связей между атомами в молекулах и методы расчетов устойчивости молекул по данным об энергиях связей
в зависимости от условий.
Многие ученые [1, 4–6, 11–14, 17] высказывают сомнения по поводу влияния фреонов метанового ряда на озоновый слой. Озоновый слой начали изучать менее пятидесяти лет назад, а время «жизни» таких фреонов – более 50–70 лет. Тем более вызывают недоумение выводы, сделанные на основании всего лишь предположения: «Разве не возможно, что они (ХФУ) вместе со своим хлорным
компонентом попадают в стратосферу? Если, так, то они рано или поздно должны подвергнуться разложению под действием ультрафиолетового излучения Солнца. При этом должен высвобождаться
хлор, который может вступать в реакцию со стратосферным озоном…. Эта теория (Ш. Роуленд
и М. Молина) была опубликована в журнале «Nature» в июне 1974 года. Средства массовой информации привлекло предположение комментаторов о том, что причиной возросшей заболеваемости
раком кожи может быть уменьшение озонового слоя» (курсив наш. – Авт.) [7].
Анализ известных и приведенных данных позволяет сделать выводы: разрушение или образование озонового слоя является следствием сложных глобальных процессов, которые мало изучены, их
количественное влияние на разрушение озона не определено; фреоны метанового ряда в результате
своей инертности и устойчивости не могут служить причиной разрушения озонового слоя; принятие
Монреальского протокола недостаточно научно обосновано. Уместно добавить, что запрету фреона 12
«помог» фреон 11, который широко использовался в аэрозольных упаковках и, естественно, непосредственно попадал в атмосферу. Ясно одно: любое химическое соединение синтетического производства может отрицательно влиять на природу. Не одно и то же, когда синтетическое вещество производится в огромных количествах и попадает в атмосферу или когда оно производится для работы
в замкнутых системах. Например, фреон 12 в агрегатах домашних холодильников работает десятилетиями. Можно исключить попадание фреонов в атмосферу: принять меры утилизации отработавшего
фреона 12 или фреона 22. Запрещать же прогресс развития холодильной техники на базе фреонов метанового ряда и предлагать сомнительные варианты замены этих фреонов – равносильно торможению
развития холодильной техники.
Литература
1. Абдульманов Х.А. О реабилитации фреона 12 // Холодильный бизнес. – 2001. –№ 2. – С. 4–5.
2. Хаттатов В.У. Ни реабилитировать, ни помиловать фреоны нельзя // Холодильный бизнес. –
2001. – № 3. – С. 4–5.
3. Хаттатов В.У. Ни реабилитировать, ни помиловать фреоны нельзя // Холодильный бизнес. –
2001. – № 4. – С. 4–5.
4. Филина С.О. Фреоны: быть или не быть // Холодильный бизнес. – 2001. – № 5. – С. 5–6.
62
Вестник Камчатского государственного технического университета
5. Кароль И.Л. Озон и фреоны: развод по-монреальски // Холодильный бизнес. – 2001. – № 6. –
С. 4–5.
6. Будыко М.И., Голицын Г.С., Израэль Ю.А. Глобальные климатические катастрофы. – М.: Гидрометеотздат,1986. – 160 с.
7. Шеридан В., Эй–Си–Ар Тудей. 70 лет безопасного применения фторуглеродов в производстве
холода // Холодильный бизнес. – 2001. – № 1. – С. 12–14.
8. Стромман И., Бредсен А.М. и др. Холодильные установки, кондиционеры и тепловые насосы
для XXI века // Холодильный бизнес. – 2000. – № 5. – С. 8–12.
9. Кириллов Н.Г. XXI век: тенденции развития холодильной промышленности и холодильные
машины Стирлинга умеренного холода // Холодильный бизнес. – 2002. – № 3. – С. 4–7.
10. Химическая энциклопедия. В 5-ти тт. Т. 3. – М.: Наука, 1995. – 3500 с.
11. Данилов А.Д. Популярная аэрономия (для «соседей» по науке). – М.: Гидрометеоиздат, 1989.
– 230 с.
12. Матвеев Л.Т. Физика атмосферы. – Л.: Гидрометеоиздат, 1984. – 752 с.
13. Сывороткин В.Л. Водород – разрушитель озона // Наука в России. – 2000. – № 2.
14. Звягинцев А., Кручицкий В., Зуев В. Озоновые дыры исчезают без помощи человека // Химия и
жизнь. – 2001. – № 6. – С. 4.
15. Перельштейн И.И., Парушин Е.Б. Термодинамические и теплофизические свойства рабочих
веществ холодильных машин и тепловых насосов. – М.: Легк. и пищ. пром-сть, 1984. – 232 с.
16. Полинг Л. Общая химия. – М.: Мир, 1974. – 800 с.
17. Исидоров В.А. Еще немного об антарктической озоновой дыре и заменителях «озоноразрушающих фреонов» // Химия и жизнь. – 2001. – № 12.
18. Вредные вещества в промышленности. В 3-х тт. Т. 1. – Л.: Химия, 1976. – 1900 с.
63
Экономика рыбной промышленности
УДК 664.951
МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРОБЛЕМЫ АНАЛИЗА
СОЦИАЛЬНО-ЭКОНОМИЧЕСКОГО РАЗВИТИЯ РЫБНОЙ ОТРАСЛИ
В.В. Емельянов (КамчатГТУ)
В статье на основе понимания деятельности рыбной отрасли как системной целостности,
функционирующей на фоне дестабилизации социально-экономических и политических взаимоотношений как в стране, так и в мире в целом, в качестве методологического инструментария для
научно-практических разработок по развитию рыбной отрасли вообще и рыбохозяйственного
комплекса Камчатки в частности автором предлагается и обосновывается использование эвристического подхода. Иллюстрируется потенциал эвристической технологии, позволяющей проводить последовательный анализ ситуаций и выбор стратегически рационального управленческого решения в условиях стремительно развивающейся ситуации.
In this article the auther offers to use the heuristic method for scientific and practical research on
the development of fishery in general and fish complex in Kamchatka in particular on the basis of understanding of fishing activity as the system, acting on the basis of destabilization of social-economical and
political relations, both in the country and in the world.
Как показывает обзор методологического инструментария, лежащего в основе научнопрактических разработок по развитию рыбной отрасли вообще и рыбохозяйственного комплекса Камчатки в частности, набор и алгоритм его использования в общих своих чертах полностью соответствовал как запросам практики, так и процессу становления общегносеологических представлений.
И в самом деле, в качестве одного из наиболее применяемых способов характеристики производственной деятельности рыбной отрасли был и остается функциональный подход, т. е. анализ исследуемых
объектов, процессов и явлений на основе методологии так называемого «черного ящика», когда, по возможности, полностью отвлекаются от характеристики компонентного состава и внутренней структуры
предприятия, организации или отрасли как единого и очень сложного народнохозяйственного механизма,
а все внимание акцентируют на анализе входящих (материальные ресурсы, кредиты, дотации, инвестиции
и т. д.) и исходящих (продукция, доходы, прибыль и т. п.) потоков вещества, энергии и информации.
Продуктивность этого метода предопределяется тем, что он в наибольшей степени позволяет
сконцентрировать внимание исключительно на познании его функциональной деятельности (неважно, по незнанию ли самого объекта или, наоборот, по желанию в максимальной степени абстрагироваться от его сущности). Если говорить предметно о рыбной отрасли, этот подход позволяет в ответ
на конкретный вопрос: «Что будет, если (вложить средства, например)?» – получить столь же конкретный ответ: «Увеличение объемов добычи». И при этом не обязательно с детальным изучением
внутренней структуры исследуемого объекта.
Этот метод удобен тем, что позволяет сосредоточить внимание на наиболее заметных и часто
изменяющихся параметрах производственной деятельности отрасли (затраты – продукция). Или, образно говоря, он как бы замеряет «температуру» всего хозяйственного механизма и заставляет принимать меры первой, т. е. без серьезного вмешательства, неотложной помощи. В этом его сила.
И в этом же его слабость, ибо он наиболее подходит для того периода в деятельности предприятий
и отрасли, когда их механизм отлажен, работает без существенных сбоев, а внешние социальноэкономическая, экологическая и политическая обстановки стабильны и благоприятны.
Таким образом, повторимся еще раз, покуда процессы наращивания и обновления производственных фондов, процессы модернизации и реконструкции технологического оборудования, процессы
перестройки внутренней структуры рыбной отрасли, направленные на достижение наибольшей производительности, а также процессы финансовой и инвестиционной деятельности идут естественным
образом, планово, метод этот вполне хорош, ибо он достаточно адекватно отражает реальность.
Не случайно же именно он использовался в советский период хозяйствования, когда во всякого рода
планах и проектах сперва декларировались цели и задачи, затем определялись конкретные кредитнофинансовые и материально-производственные ресурсы для их достижения, а по происшествии указанного срока докладывалось о достигнутых успехах. Другое дело, что при всем этом внутреннее
функционирование той или иной хозяйственной структуры сперва сознательно укрывалось от непосвященных, а со временем и вовсе перестало интересовать власть предержащих, уповающих на раз
и навсегда отлаженный порядок.
Однако в условиях разлада механизма функционирования предприятия, организации или отрасли, особенно на фоне глубокой и принципиальной дестабилизации социально-экономических и политических взаимоотношений как в отдельном регионе, так и в целом по стране и в мире, метод этот
64
Вестник Камчатского государственного технического университета
явно теряет свою значимость. И это закономерно, поскольку в этом случае вся суть происходящего
предопределяется не только и не столько привходящими и выходящими потоками, сколько соответствием внутренней структуры отрасли условиям внешней среды.
Кстати, все сказанное более чем убедительно и наглядно подтверждается ходом и результатами
нынешней перестройки социально-экономических отношений, когда и сами рыбопромышленники,
и региональные администрации, и федеральная власть бросились в стихию рынка без проведения
сколько-нибудь должного просчета возможных исходов перестройки структуры экономики. Или, говоря иначе, когда все хозяйственные, властные и политические структуры в центре и на местах применили названный функциональный подход в наиболее упрощенном его виде. Во-первых, заложили
на входе тезис о том, что рынок, мол, все сам расставит по местам, во-вторых, «запланировали» на выходе
непременное повышение уровня благосостояния, в-третьих, при этом почти ничего не сделали для грамотной перестройки внутренней структуры самого хозяйственного механизма. Так что провал в экономике всей страны и в ее рыбной отрасли был предопределен, что и подтвердила сама жизнь.
Итак, слабость функционального подхода заключается в том, что он работает только в условиях,
когда состояние объекта либо не выходит за «пороговые рамки», либо/и полностью соответствует
развивающейся ситуации. Однако когда вследствие тех или иных причин внешняя среда изменяется
настолько, что это настоятельно требует познания внутренней структуры исследуемого объекта
с целью ее приспособления к новым условиям, названный подход перестает соответствовать реалиям
дня, что, собственно, и произошло на Камчатке в конце 50-х годов, когда в связи с оскудением запасов лососевых, на эксплуатации которых до этого базировалась ее рыбная отрасль, на смену функциональному подходу пришел компонентный анализ.
Иными словами, когда появилась потребность в познании особенностей внутреннего строения исследуемых объектов, когда время потребовало более углубленного и детального познания его составных частей и более тщательного исследования их пространственной структуры, на помощь и на смену
функциональному подходу пришла методология структурного анализа. Она оказалась наиболее продуктивной именно в части получения достоверных знаний о каждом из отдельно взятом элементе
(или/и аспекте) изучаемых объектов, а тем самым и для познания структуры объектов в целом.
Однако значимость этого метода обесценивается тем, что при его использовании происходит невольное расчленение единого хозяйственного механизма отрасли на отдельные производственные
процессы (добыча, переработка и продажа продукции), производные элементы (добывающий, обрабатывающий и транспортный флот, судоремонт, морозильные установки и складские помещения,
магазины и т. д.) и сопутствующие компоненты (вспомогательные – сельскохозяйственная, лесная,
коммунальная, энергетическая и прочие отрасли, селитебная инфрастуктура). К тому же метод этот
также хорош до той поры, покуда процессы наращивания и обновления производственных фондов,
процессы модернизации и реконструкции технологического оборудования, процессы рациональной
перестройки внутренней структуры самой отрасли, направленные на достижение наибольшей производительности, а также процессы финансовой и инвестиционной ее поддержки не входят в противоречие с реальной действительностью.
Разновидностью метода структурного анализа, также до недавнего времени активно употреблявшегося в целях характеристики производственной деятельности рыбной отрасли, является так называемый многофакторный анализ. Он заключается в разложении производственного процесса на ряд
составляющих факторов, условий и обстоятельств с тем, чтобы можно было получить наиболее исчерпывающие и одновременно наиболее точные данные о всех этих составляющих. Этот метод стал
особенно употребительным на последних стадиях развития социалистического хозяйства, так как
к этому времени и у наиболее методологически подготовленных ученых, и у наиболее прогрессивных
хозяйственников, и у незначительной части представителей политической власти возникло понимание необходимости перемен. И метод факторного анализа, заменяющий традиционный покомпонентный анализ, как раз и был призван для утверждения новых реалий.
Однако и эта методология имеет существенные изъяны. В первую очередь это касается того обстоятельства, что при попытке вновь перейти к познанию самого объекта как целостной системы путем сложения полученных результатов эта самая целостность теряется. Лежащий в основе любого
аналитического подхода принцип редукционизма – «деление» объекта на части и последующее
«суммирование» (синтез?) полученных результатов – в конечном счете приводит к потере целостного
взгляда на реальность, отсюда и к невозможности вовремя разглядеть за множеством достаточно хорошо изученных фактов и явлений пробивающиеся к жизни новые явления и тенденции. В наше
время очень наглядно это проявилось, например, в чрезмерном уповании властных структур Камчатской области [4] на непременную и всеобъемлющую помощь со стороны государства в решении всех
тех хозяйственных проблем, в том числе и в рыбной отрасли, которые были обусловлены переходом
65
Экономика рыбной промышленности
на рыночные отношения в экономике, так как в этом случае тенденция (и уже устоявшаяся, кстати,
тенденция) государства отстраниться от проблем регионов Крайнего Севера была ими просмотрена,
если не сказать – проигнорирована. И просмотрена закономерно, ибо в данном случае в оценке ситуации превалировал аналитический, а не системный подход.
По этой же причине – невозможность путем сложения частностей составить цельность – методология многоаспектного и многофакторного анализа уступила место системному анализу, ибо системная
парадигма как таковая знаменует собой [1–3, 14] переход процесса познания от изучения конкретных
компонентов, объектов и явлений, взятых самих по себе, к исследованию их во взаимодействии друг с
другом и с внешней средой, или, иначе говоря, переход от непосредственного познания конкретных
явлений к сущностному путем включения этих явлений в более широкую систему объектов и процессов. Причем в данном случае система понимается как нечто цельное, что и противостоит среде и одновременно структуирует все свои части во взаимодействии с этой самой внешней средой [5].
Другими словами, суть системного подхода заключается не в том, чтобы делить объекты на системы и несистемы, а в том, чтобы во всем и вся видеть системы. При этом основополагающим принципом системной парадигмы является не анализ самоорганизации той или иной системы, а познание ее
самоуправляемости, определяемой как подчиненность структуры (организации) системы какой-то цели, что, наряду с высокой степенью абстракции системного подхода, предполагает возвращение
к целостному восприятию действительности.
Но самым важным свойством системной методологии является ее направленность на выявление
и познание (числом и мерой) взаимосвязей и взаимоотношений между элементами и компонентами.
При этом высокая степень абстракции и, главное, наличие механизма «обратных связей» позволяет
более точно вскрывать некоторые причинно-следственные связи познаваемой системы. В частности,
они позволяют нам говорить о том, что так называемая «дотационная поддержка» рыбной отрасли
советского периода была всего лишь компенсацией за директивно установленные и искусственно
поддерживаемые на предельно низком уровне цены на рыбную продукцию, а не подлинной дотацией.
В целом же изучение обратных связей (или обратных афференаций – понятие, введенное академиком П. Анохиным еще за 12 лет до Норберта Винера) помогает понять многое из того, что делается в нашем мире, позволяет улавливать скрытый смысл происходящего, поскольку именно обратные
связи наиболее наглядно и однозначно сигнализируют (по заранее заданным признакам) о том, правильно или неправильно совершается какой-либо процесс [12], особенно если методология механизма обратных связей подкрепляется более сложными способами взаимодействия с внешней средой:
сознанием, совестью, теоретическим мышлением, творческим полетом и интуицией.
Принципиально важным свойством механизма обратной связи является и то, что он позволяет дезавуировать расхожий тезис о том, что какова работа – таков и результат, потому что на самом деле значительная часть любой работы совершается как раз по «указке» результата. На практике сплошь и рядом
именно конечный результат диктует то, какими должны быть сами по себе усилия и затраты на выполнение работы, на последовательность действий, на их продолжительность и многое другое. Этим объясняется феномен, согласно которому нацеленность на неправильно выбранный результат приводит к совершенно неожиданным последствиям. Причем это правило одинаково четко «срабатывает» и в
общественной жизни, и в технике, и в живой природе, в т. ч. и в той же рыбной отрасли, нацеленность
которой на максимальный вылов в конечном счете обернулась подрывом и уничтожением запасов рыбы
и морепродуктов, что, в свою очередь, уже саму отрасль ставит на грань существования.
Итак, говоря окончательно, основу системного подхода составляет выявление и изучение взаимосвязей и взаимоотношений между элементами и компонентами, а не изучение одних только элементов и компонентов. Однако, к сожалению, и в этом процессе выявления взаимосвязей все не так
просто, как кажется или как бы хотелось. И прежде всего потому, что само понятие «система»
в науке трактуется неоднозначно. Это, например, и совокупность элементов. Это и совокупность связей элементов, и тогда совокупность элементов – это структура системы. Это и совершенно иные,
вплоть до противоположных, суждения на эту тему. Тем самым современное научное понимание
термина «система» не сводится ни к одному из вышеназванных определений, как не сводится оно
и к какому-либо обобщенному значению. Это не способствует тому самому целостному восприятию
познаваемых объектов, которое является сильнейшей стороной данной методологии.
Тем не менее, стоит согласиться с мнением Н.Ю. Нестеренко [9], которая считает, что для логистической системы рыбной отрасли характерны следующие основные свойства:
– сложность, определяемая как наличием большого числа элементов, так и множественностью
взаимосвязей между ними;
– эмерджентность (целостность), понимаемая как способность системы выполнять заданную
функцию всей системой в целом, а не отдельными ее элементами;
66
Вестник Камчатского государственного технического университета
– иерархичность, то есть строгая подчиненность элементов более низкого ранга элементам более высокого;
– структуированность, предполагающая наличие определенной, т. е. преследующей заданную
цель, организации системы;
– адаптивность, или способность приспосабливаться к изменяющимся условиям среды.
Впрочем, наличие этих свойств не препятствует, к сожалению, восприятию системы как суммы
слагающих ее элементов, поскольку, во-первых, каждый элемент системы сам по себе представляет
сложную систему, и поскольку, во-вторых, цель функционирования каждого элемента может не совпадать с общей стратегией функционирования всей системы в целом. Обычно на практике названные
причины настолько усложняют процесс управления системой, что это приводит к необходимости создания органа высшего управления менеджментом для координации и интеграции действий всех звеньев.
Целостному восприятию действительности препятствует и не всегда четко выдержанная иерархия самих систем, их элементов и компонентов. Кстати сказать, уже само по себе отображение системы в виде классической графической модели невольно подталкивает к восприятию и к последующей трактовке отдельных ее подсистем в качестве равнозначных элементов. В том смысле невольно,
что человек до 95 % всей информации воспринимает глазами и потому психологически подготовлен
к тому, чтобы переносить зрительный образ на свои представления. Но даже при полном понимании
необходимости выдерживать строгую иерархию это далеко не всегда осуществимо в реальности. Так,
например, очень четко выдерживаются глобальный, региональный и локальный уровни иерархии
социально-экономических, ландшафтных и экологических систем. Менее четко выстраивается иерархия между компонентами и элементами ландшафтных систем, поскольку там наряду с выделением литоморфных, гидроморфных, биогенных, антропогенных и тому подобных ландшафтов, обособляемых по ведущему фактору, постулируется и принцип относительного равенства всех природных
компонентов [8]. Ну а в таких системах, как, например, суша – океан – атмосфера или ледник – океан
– атмосфера, говорить о какой-либо иерархической соподчиненности их основных компонентов вообще не приходится.
Так что далеко не случайно, особенно при желании охватить как можно большее количество
различных сторон и аспектов познаваемых систем, что причинно-следственная соподчиненность, лежащая в основе их иерархичности, теряется. В той же рыбной отрасли на первое место было поставлено наращивание производственной базы с преобладанием промысла, а не максимальный выпуск
готовой продукции с одновременным сохранением и воспроизводством гидробиоресурсов.
Но самым, пожалуй, показательным недостатком использования системной парадигмы (использования, а не самой методологии) является, как ни странно, механизм прямых и обратных связей. Дело в том,
что выявление и характеристика связей между элементами и компонентами той или иной системы, а
также между процессами и явлениями как внутри самой системы, так и за ее пределами нередко приобретает характер самоцели и тем самым настолько усложняет реальную картину, что из поля зрения исследователей ускользают именно те, на первый взгляд, незначительные события и факты, которые в конечном
счете оказываются предвозвестниками подспудно нарождающихся процессов и явлений.
Все это в совокупности приводило к тому, что практическое изучение тех или иных систем излишне часто сводилось к традиционному покомпонентному анализу. И это существенно снижало эффективность применения системной методологии, так что вместо познания сущности, тесноты и интенсивности взаимосвязей между элементами и компонентами, что является альфой системной
методологии, происходило стандартное исследование объекта по его компонентам и элементам. А
исследование конкретной системы во всей совокупности ее взаимодействий с внешней средой, что
является омегой системной парадигмы, подменялось методологией выявления вариантов развития
системы, или, как принято говорить сейчас, методологией разработки разных сценариев развития,
согласно которой априори предполагается, что развитие той или иной системы, в зависимости от ситуации, будет происходить по первому, второму, третьему и т. д. сценариям. Эти сценарии отражают
не столько качественные (т. е. действительно вызванные изменением ситуации глубокие структурные
перестройки той или иной народнохозяйственной системы), сколько всего лишь количественные
(максимальный, оптимальный, минимальный) варианты все той же структуры.
Итак, основным направлением деятельности рыбацкой науки принято считать выявление ведущих
факторов и условий развития рыбного хозяйства, оценку тенденций их изменения в будущем,
а также формирование устойчивой нормативно-законодательной базы и реальной государственной политики по отношению к отрасли [15]. И ведущую роль в решении этих задач играл, как уже отмечалось, системный анализ.
Однако, несмотря на успехи использования системной парадигмы в целях характеристики социально-экономических процессов, происходящих в отрасли и вокруг нее, можно говорить о том, что на
67
Экономика рыбной промышленности
самом деле полного отхода от традиционной (аналитической) методологии познания социальноэкономической ситуации фактически не произошло. Это проявляется, во-первых, в том, что на практике преимущественно рассматриваются отдельные структурные части, а не вся система в целом,
притом нередко вне ее взаимодействия с внешней средой, и, во-вторых, в том, что при попытках выходить на обобщение (прогноз) нередко минуется стадия синтеза.
К сожалению, эту вторую ошибку допускают даже такие высококвалифицированные специалисты, как В.П. Горшечников и Ю.А. Шпаченков [6], когда постулируют тезис о том, что «весь процесс
формирования стратегии развития малого предпринимательства рыбной отрасли условно можно
представить в виде двух взаимосвязанных и взаимообусловленных – анализа и прогнозирования –
этапов». И хотя при последующем обосновании методологических критериев и эти [15], и многие
другие [10] исследователи подчеркивают, что без процесса обобщения (синтеза, систематизации)
полученных в ходе анализа результатов прогноз развития рыбной отрасли будет неточным, все же от
факта отсутствия во многих исследованиях обязательной для системной парадигмы центральной
связки – синтез, обобщение – никуда не денешься.
Наиболее, пожалуй, наглядно эта нацеленность на анализ ситуации просматривается в концептуальной методологии, если точнее, в методологии концептуального анализа, особенно в случаях, когда
целью такового анализа становится излишне детальная характеристика каждой структурной части
рыбной отрасли. Излишняя детализация и достоверность скорее затрудняют процесс обобщения, нежели способствуют разработке достоверного прогноза. К тому же сам по себе концептуальный подход [13], призванный четко отвечать на следующие вопросы: в чем состоит проблема (что именно
и где плохо); каковы причины возникновения проблемы; что надо сделать, чтобы было хорошо (идея,
способ устранения причин); как это сделать (раскрытие способа решения проблемы); что это даст
(ожидаемый результат); что для этого нужно (при каких условиях идея может быть реализована), –
по-настоящему эффективно работает в условиях относительной стабильности. Иными словами, получить полные и достоверные ответы на эти вопросы можно только в условиях, когда решаемая проблема не выходит за рамки стандартных ситуаций.
Наконец, продуктивность концептуальной методологии существенно снижает нацеленность
концепции на конкретный результат, ибо это, как уже говорилось, изначально предопределяет и
выбор способов их достижения, что в нашем случае – в случае выбора модели развития Камчатской
области – подтверждается попытками внедрения концепции так называемого комплексного развития народного хозяйства Камчатки. Декларируемый в ней результат (цель) – достижение максимально полного самообеспечения населения области продуктами питания и товарами повседневного спроса, которого на протяжении пятидесяти с лишним лет пытались и пытаются достичь путем
создания многоотраслевого народнохозяйственного комплекса на базе освоения всех видов природных ресурсов региона, – так и не был достигнут. Скорее даже наоборот, именно стремление к
этой цели и привело к обратным результатам хотя бы потому, что только в самом конце XX века и
только на вот-вот ожидаемую отдачу от золота область потеряла 13 лет. Надо ли подчеркивать, что
в современном мире потеря времени не компенсируется ничем.
Кстати, о самообеспечении. Первые полвека (1895–1955 гг.) становления рыбной отрасли на
Камчатке эту же задачу – обеспечение населения – успешно решали (для того времени, разумеется)
только и только за счет эксплуатация по сути дела единственного вида рыбных ресурсов – лосося.
Это и закономерно, так как целью именно этой модели хозяйствования было обеспечение народнохозяйственного комплекса страны валютными поступлениями, отсечение всех дополнительных расходов в виде ненужных отраслей и их инфраструктур.
Но вернемся к концептуальному анализу. Как уже говорилось ранее, изначальная нацеленность
этой методологии на получение наиболее полных данных путем расчленения (анализа) единой системы на множество самостоятельно анализируемых подсистем неизбежно приводит к тривиальному
суммированию прогнозов развития отдельных направлений и подразделений рыбной отрасли, а не
к прогнозу развития ситуации в целом. Наиболее, пожалуй, убедительным примером подобного рода
может служить факт истолкования сугубо частного явления – некоторого подъема производства, произошедшего в рыбной отрасли всего Дальнего Востока и Камчатки в 1995–1996 гг. в результате подхода
продуктивных поколений рыб, – в качестве свидетельства стабилизации и последующего подъема рыбной отрасли (табл. 1). В данном случае, к сожалению, проявило себя отсутствие логически строго выстроенной системы ценностей, в результате чего следствие – объем вылова – оказалось поставленным впереди
причины – иррационального освоения гидробиоресурсов. При этом роль внешней среды по каким-то
причинам была либо занижена (давление конкурентов, в особенности иностранных), либо в той или иной
степени почему-то проигнорирована (введение аукционов).
68
Вестник Камчатского государственного технического университета
Таблица 1
Основные показатели производственной деятельности
рыбохозяйственного комплекса Камчатки на перспективу1
Отчет
Оценка
Показатели
Вылов (тыс. т)
Производство
пищевой продукции (тыс. т)
Рентабельность товарной
продукции (%)
Капитальные
вложения
(млрд руб.)
В т. ч. на 1 т
вылова
(тыс. руб.)
1
2
Прогноз
2000 г.
2005 г.
1997 г.
1998 г.
1999 г.
686,1
691,3
595,0
I-III
630
I
450
323,0
305,0
283,0
290
-8,7
-3,7
1,2
0,19
0,26
0,28
0,38
2010 г.
II
750
Сценарии
III
680
I
400
II
850
III
725
225
330
300
210
360
315
2,4
5,0
6,0
7,5
7,6
5,8
8,7
0,50
0,62
6,452
16,32
13,52
4,652
27,62
22,42
0,84
0,98
2,39
4,72
4,10
2,19
6,90
6,40
Рыбное хозяйство Камчатки, 1999.
За пятилетие.
Ну и последнее замечание. Согласно классической теории управления, всегда (и прежде всего)
выделяется конкретный объект управления – предприятие, банк, муниципальное образование, регион
и т. д. [11]. При этом анализ состояния каждого из этих объектов осуществляется самостоятельно
и по максимально полной программе, т. е. с учетом всех нюансов и деталей. Но, во-первых, все эти
структуры не имеют четких границ с внешней средой (политической, социальной, экономической,
технологической), и потому такое выделение объектов оказывается очень даже непростой процедурой. И уже потому четких ответов на все вопросы концептуальной методологии получить в принципе невозможно. Во-вторых, и это многим существеннее, в экстремальных условиях нынешней ситуации внешняя среда настолько нестабильна, т.е. изменяется настолько быстро и кардинально, причем
не только в России, но и во всем мире, что эти изменения оказывают не просто сильное, а принципиально иное (структуропреобразующее) воздействие на процессы развития исследуемого объекта.
А это побуждает буквально каждый день вносить в искомые ответы существенные поправки, что
опять же требует времени, которого по этой причине попросту не остается. Не остается времени на
то, чтобы приостановиться и оглядеться: куда же, собственно, мы идем, и, тем более, на то, чтобы
выявить только-только намечающиеся тенденции и перспективы.
Таким образом, приходится констатировать, что стандартные подходы к оценке сегодняшней социально-экономической ситуации применимы лишь в условиях хорошо организованной экономической среды. Недопонимание этого обстоятельства существенно отражается на эффективности менеджмента. Поэтому просто необходимо было разработать технологию, которая бы помогала
принимать решения именно в нестандартных, вызванных постоянно меняющейся политической, экономической, социальной и технической средой ситуациях, и тем самым обеспечивала бы устойчивое
функционирование сложного социального объекта (предприятия, корпорации, региона). Одной из
таких технологий, позволяющих проводить последовательный анализ ситуаций и выбор стратегически рационального управленческого решения, может стать эвристический подход к оценке стремительно развивающейся ситуации (ситуации, а не состояния самой отрасли или отдельных ее составляющих). Подход, гносеологической основой которого является концентрация внимания на тех,
порою едва уловимых или/и, на первый взгляд, совершенно незначительных, процессах и явлениях,
которые на самом деле являются (могут стать) зародышами тенденций будущего развития ситуации
и тем самым, в конечном счете, реперами во вновь формирующейся социально-экономической обстановке. При этом практическое приложение этого подхода предполагает обособление минимально
ограниченного числа системопреобразующих факторов с последующим ранжирование этих факторов по степени их значимости и, главное, сосредоточение усилий и средств на характеристике самых
узловых моментов рассматриваемой проблемы.
Тем не менее, сущность эвристического подход не сводится только к выделению наиболее важных с точки зрения формирования и функционирования самой системы блоков и факторов с их последующим ранжированием и характеристикой. Методологическая значимость эмпирического подхода заключается в том, что, обособляя минимально ограниченное число системопреобразующих
69
Экономика рыбной промышленности
факторов и/или важнейших составляющих объекта и внешней среды с последующим ранжированием
этих факторов по степени их значимости, он позволяет создавать первичные модели взаимодействия
управляемого объекта с внешней средой с учетом влияний, способствующих или препятствующих
его успешному функционированию. Достоинством эмпирического подхода является также
и то, что благодаря ему выявляются наиболее сильные и слабые стороны объекта управления (предприятия, отрасли, региона) и обособляются основные моменты воздействия внешней среды на внутренние возможности развития объекта. В частности, в нашем случае в качестве гносеологической
подложки этого метода нами использована экологическая парадигма, сущность которой, если предельно кратко, состоит в том, что в центр ее интересов помещается выбираемый по тому или иному
критерию (критериям) конкретный объект.
В отличие от традиционного системного подхода, при котором познаваемый объект и его внешняя
среда рассматриваются как равнозначные элементы (а точнее сказать, в этом случае в каждый исходный
момент мы в равной степени что-то знаем или что-то не знаем и о самой системе и о ее среде), экологическая методология, сознательно вычленяя центральный блок и выявляя цепочки основных связей между
ним и другими блоками системы, вносит целенаправленную определенность в данную проблему или, по
крайней мере, позволяет выявить (и сконцентрировать на ней внимание) наиболее уязвимое звено системы. В рыбной отрасли, безусловно, этим звеном является гидробиоресурсная база.
На основании применения этого эвристического подхода нами и были обнаружены те самые тенденции и перспективы – резкое снижение запасов гидробиресурсов, разрушение материально-технической
базы, введение платы за квоты и внедрение аукционной системы распределения лимитов и, главное, смена социально-экономической ориентации рыбной отрасли, которые на сегодня являются определяющими
как для самого рыбопромышленного комплекса Камчатки, та и для ее экономики в целом, но которые
еще совсем недавно считались всего лишь экстравагантными представлениями.
Применение эвристического подхода позволило нам загодя говорить о возможности возникновения нынешней ситуации [7]. Вот отчего в целях исключения ненужных накладок и, главное, потерь
времени на поиски истины методом проб и ошибок, а главное, в целях выявления основополагающих
тенденций и перспектив рыбной отрасли предлагается использовать эвристический, т. е. основанный
на анализе немногих, нередко косвенных, показателях подход к выбору приоритетов развития отрасли и способов их достижений.
Литература
1. Берталанфи Л. История и статус общей теории систем. Системные исследования. – М.: 1973.
– С. 20–37.
2. Богданов А.А. Всеобщая организационная наука (тектология). Изд. 2-е. Ч. 1. М.–Л., 1925. – 300 с.
3. Богданов А.А. Всеобщая организационная наука (тектология). Изд. 2-е. Ч. 2. М.–Л., 1927. – 268 с.
4. Быстрицкий С.П., Синченко Б.П. Государственное регулирование регионального развития в период становления рыночных отношений. – Петропавловск-Камчатский: Изд-во «Камшат», 1994. – 56 с.
5. Вашкевич Н.Н. Системные языки мозга. – М., 1998. – 399 с.
6. Горшечников В.П., Шпаченков Ю.А. Становление и развитие малого предпринимательства в
рыбном хозяйстве Сахалинской области. – М.: Изд-во ВНИРО, 1998. – 283 с.
7. Емельянов В.В. Оценка состояния и проблемы сырьевой базы рыбной промышленности Камчатки в 1991–2000 гг. // Современное состояние и перспективы развития рыбохозяйственного комплекса Камчатской области в долгосрочной перспективе. Труды КГТУ. Вып. 1. – ПетропавловскКамчатский, 2001. – С. 168–175.
8. Мильков Ф.Н. Ландшафтная сфера Земли. – М.: Мысль, 1970. – 208 с.
9. Нестеренко Н.Ю. Методологические основы формирования логистических систем в рыбном
хозяйстве Камчатской области // Современное состояние и перспективы развития рыбохозяйственного комплекса Камчатской области в долгосрочной перспективе. Труды КГТУ. Вып. 1. – Петропавловск-Камчатский, 2001. – С. 122–127.
10. Олейников Б.И., Коломийцев Ф.И., Шпаченков Ю.А. Рыбное хозяйство Камчатской области
(состояние и перспективы развития). – Петропавловск-Камчатский – Москва, 1999. – 59 с.
11. Руководство по подготовке экологически обеспеченных инвестиционных проектов / Под ред.
И.Д. Горкиной, Ю.Л. Максименко, И.Н. Сенчени. – М.: Изд-во науч. и учебно-методологич. центра,
2001. – 320 с.
12. Системный анализ и научное знание / Под ред. Д.П. Горского. – М.: Наука, 1978. – 245 с.
13. Шпаченков Ю.А. Рыбное хозяйство России на пороге XXI века (конспект лекций). – Петропавловск-Камчатский: Изд-во КГТУ, 2000. – 269 с.
70
Вестник Камчатского государственного технического университета
УДК 338
АНАЛИЗ ИННОВАЦИОННОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ НА ПРЕДПРИЯТИЯХ РЫБНОГО
ХОЗЯЙСТВА КАМЧАТСКОЙ ОБЛАСТИ
В.Н. Дегтярев, Е.В. Клиппенштейн (КамчатГТУ)
Проведен анализ результатов исследования предприятий рыбного хозяйства Камчатской
области. На основании оценок, данных специалистами предприятий, предпринята попытка определения целесообразности ведения инновационной деятельности, особенности ее финансирования
и возможность государственной поддержки мероприятий, направленных на обновление предприятий рыбохозяйственного комплекса Камчатской области.
The analysis of results of research of the enterprises of a fish economy of the Kamchatka area is given
here. On the basis, of the estimations given by experts of the enterprises, attempt of definition of expediency of
conducting innovative activity, feature of its financing and an opportunity of the state support of the actions directed on updating of the enterprises fish economy of a complex in the Kamchatka area is undertaken.
На пути модернизации производства существует множество объективных и субъективных препятствий. Для предприятий рыбного хозяйства Камчатской области объективные препятствия связаны с ресурсными ограничениями, которые обострились после введения аукционов на водные биоресурсы. Субъективные препятствия вытекают из интересов основных субъектов формирования и реализации
экономической стратегии. Для быстрого и высокоэффективного подъема производства необходима переориентация экономических интересов и мотивов поведения субъектов рыбного хозяйства.
Камчатские предприятия рыбного хозяйства в настоящее время находятся на грани банкротства
или стоят перед необходимостью сокращения кадров и своих основных фондов. Доля рыбной промышленности в экономике полуострова постоянно сокращается: 67 % в 1999 г., 62 % в 2000 г., 59,2 %
в 2001 г. В 2000 г. совокупные прямые финансовые потери области (платежи в бюджет, территориальные бюджетные фонды, участие в закупках топлива для коммунальной теплоэнергетики, а также
участие в других региональных программах посредством приобретения платных квот) по отношению
к 2001 г. могут составить 286 млн рублей, по отношению к 2000 г. – 764 млн рублей, или 30,1 %
от собственных налоговых доходов бюджета территории в 2001 г. [1]. Таковы реальные экономические последствия рыбных аукционов. В результате, по данным специалистов, убытки рыбопромышленного комплекса за 2001 г. составляют не менее 1,5 млрд рублей [1].
Проблему обновления производства не решить с помощью старых подходов, когда научнотехническая и инвестиционная политика осуществлялась централизованно и, главным образом,
за счет бюджетных источников. «Предприятия выступали в роли просителей и пользователей государственных средств и занимались множеством мелких улучшающих инноваций» [6, с.74]. При смене формы собственности, сопровождающейся формированием инвестиционного и инновационного
рынков, центр тяжести в принятии решений переместился к собственникам капитала и товаропроизводителям, которые озабочены прежде всего выживанием. При этом зачастую доминируют краткосрочные цели, а выходящим за их границы инновациям уделяется незначительное внимание.
Анализируя результаты исследования предприятий рыбохозяйственного комплекса Камчатской
области 1 , попытаемся определить:
– во-первых, предпосылки осуществления инновационной деятельности в соответствии с целями предприятий рыбного хозяйства;
– во-вторых, особенности финансирования инновационной деятельности;
– в-третьих, зависимость инновационной деятельности предприятий от государственной поддержки.
Рассмотрим значения рыночных критериев оценки инновационных проектов, данные специалистами рыбных предприятий Камчатки (табл. 1). Основным стимулом к инновациям является стремление к конкурентному преимуществу на рынке, которое достигается путем максимального удовлетворения требований потребителей, и вероятный объем продаж. При выборе инновационного проекта
немаловажную роль играют показатели общей емкости рынка и доли предприятия на этом рынке. Но
определение этих показателей лишь немногие руководители увязывают с необходимостью проведения маркетинговых исследований. Есть и еще одно противоречие. Без исследований рынка достаточно
сложно определить тенденции его изменения. В свою очередь, без этих знаний невозможно планировать производственную и инновационную программы предприятия. Тем не менее, большинство специалистов склоняются к интуитивным решениям или решениям, основанным на эмпирическом опыте.
1
Полностью методика исследования и его результаты изложены в статье Е.В. Клиппенштейн «Методические аспекты
оценки инновационных процессов на предприятиях рыбного хозяйства Камчатской области» // Проблемы современной науки. Сб. науч. Статей аспирантов. Труды КамчатГТУ. Вып. 16. – Петропавловск-Камчатский: КамчатГТУ, 2002.
71
Экономика рыбной промышленности
Таблица 1
Значения рыночных критериев оценки инновационного проекта
(в % к общему значению оценки проекта)
№
п/п
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Критерий оценки инновационного проекта
Вероятность коммерческого успеха
Соответствие потребностям рынка
Вероятный объем продаж
Характер и интенсивность конкуренции
Оценка доли рынка
Общая емкость рынка
Оценка периода выпуска продукции
Усилия по продвижению продукции на рынок
Соответствие существующим каналам распределения
Необходимость проведения маркетинговых исследований
Значение
критерия
4,56
4,22
3,11
2,83
2,61
2,22
2,22
1,50
1,39
1,22
Незначительная важность соответствия инновационного проекта существующим каналам распределения указывает на готовность предприятий к выходу на другие товарные рынки продукции из
морепродуктов или привлечению иных посредников для сбыта традиционной продукции. Продвижение товарной продукции осуществляется традиционными методами и ограничивается участием в выставках или предоставлением в СМИ сведений непосредственно о самом предприятии. Практическое
отсутствие зарегистрированных товарных марок не только не способствует проникновению новой
продукции камчатских рыбных предприятий на внутренний и на внешние рынки, но и затрудняет узнавание потребителями существующей рыбопродукции, которые часто путают ее с продукцией сахалинских или приморских производителей [3].
Специфика финансирования инновационных проектов состоит в том, что, помимо затрат, связанных непосредственно с внедрением нововведения, требуется финансирование процесса разработки
проектной документации или ее адаптация к условиям и требованиям конкретного предприятия. При
формировании перечня критериев оценки инновационного проекта эти аспекты рассматривались
в двух группах: научно-технические и финансовые критерии.
Таблица 2
Значения научно-технических и финансовых критериев оценки инновационного проекта
(в % к общему значению оценки проекта)
№
п/п
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
Критерий оценки
Стоимость разработки
Время разработки
Патентная чистота
Наличие научно-технических ресурсов
Стоимость НИОКР
Вложения в производство
Вложения в маркетинг
Время окупаемости проекта
Максимальное отрицательное значение кумулятивной оценки расходов и доходов
Наличие финансов в установленные проектом сроки
Потенциальный годовой размер прибыли
Ожидаемая норма прибыли
Необходимость привлечения заемных средств, его доля в инвестициях
Финансовый риск, связанный с осуществлением проекта
Значение
критерия
3,00
1,72
0,44
1,50
2,33
4,06
1,39
3,33
2,17
3,83
3,44
2,78
3,00
2,61
Наиболее важными критериями оценки, по мнению специалистов, являются показатели стоимости инновационного проекта (вложения в производство, стоимость разработки), его экономической
эффективности (время окупаемости проекта, потенциальный годовой размер прибыли) и обеспеченность инновационного процесса финансовыми ресурсами (ритмичность финансового обеспечения
и источники привлечения финансовых средств). Осуществление оценки проекта с учетом финансового риска позволяет отбирать наименее рисковые инновации. Это становится особенно актуально
в условиях ограниченности собственных финансовых ресурсов и достаточно большой кредиторской
задолженности предприятий после введения аукционов на водные биоресурсы.
Неоднозначно отношение специалистов предприятий и к государственной поддержке инновационных программ, смысл которой как раз и должен состоять в том, чтобы облегчить освоение и реализацию инноваций.
72
Вестник Камчатского государственного технического университета
Таблица 3
Значения критериев оценки инновационного проекта
(в % к общему значению оценки проекта)
№
п/п
1
2
Критерий оценки
Возможность использования налоговых льгот
Зависимость проекта от текущего и перспективного законодательства
Значение критериев
2,61
2,72
Оценивая государственную поддержку инновационной деятельности, специалисты предприятий
предполагаются только две возможные формы (см. табл. 3): налоговые льготы и законодательные
акты, регулирующие инновационную деятельность. Ни один специалист, участвующий в исследовании, не предположил возможности реализации государственной инновационной программы с участием предприятий рыбного хозяйства Камчатки.
Поскольку в среднесрочной перспективе не ожидается значительного притока инвестиций для
технологического перевооружения рыбной отрасли, целесообразно сочетать несколько процессов:
– использовать имеющийся технологический потенциал с одновременным инвестированием
разработок новых и модернизацией выпускаемых видов продукции с целью улучшения их потребительских свойств, способствующих повышению спроса;
– развивать прогрессивную технологическую базу перерабатывающей промышленности за счет
уже разработанных и частично внедренных ресурсосберегающих технологий, для которых не требуется создания новой производственной базы и, следовательно, больших капитальных вложений;
– осваивать нетрадиционные виды водных биоресурсов, переработка которых возможна
на имеющемся технологическом оборудовании, а спрос превышает предложения.
В условиях незначительного инвестирования промышленности и сужения возможностей воздействия государства на инновационную активность хозяйствующих субъектов возрастает сложность
и ответственность выбора как стратегических приоритетов технологического развития, так и конкретных проектов, которые должны стать объектами первоочередной государственной поддержки.
Литература
1 Вахрин С. На Камчатке ставится крест // Тихоокеанский вестник. – 2002. – 7 марта.
2 Гурков И., Авраамова Е., Тубалов В. Инновационная деятельность российских промышленных
предприятий // Вопросы экономики. – 2001. – № 7. – С. 71–85.
3 Кожемяка Д. Чья ты теперь, баночка? // Рыбак Камчатки. – 2002. – 13 марта.
4 Паштова Л.Г. Инвестирование в инновации // Финансы. – 2001. – № 7. – С. 19–21.
5 Юнь О., Борисов В. Инновационная деятельность в промышленности // Экономист. – 1999. –
№ 9. – С. 29–37.
6 Яковец Ю. Инновационное инвестирование: новые подходы // Экономист. – 1995. – № 1. –
С. 74–80.
73
Экономика рыбной промышленности
УДК 338
НАПРАВЛЕНИЯ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
ФОРМИРОВАНИЕМ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РЕЗЕРВОВ РАЗВИТИЯ
РЫБОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ
С.Р. Древинг (КамчатГТУ)
В статье исследуется механизм внедрения подсистемы управления формированием и использованием резервов развития на предприятиях рыбного хозяйства. Раскрываются цель и задачи
подсистемы управления резервами развития предприятия, приводится технологическая схема
управления резервами развития предприятия, последовательность действий при разработке
и принятии управленческого решения. Предложена модель организационной структуры
управления резервами на рыбохозяйственном предприятии.
The way of application of management subsystems by means of forming and using of reserves in the
development of fishery enterprises is examined in the article. The aim and tasks of management subsystems by means development of reserves are shown here. There is a technological scheme of management
with the reserves on enterprises development, the sequence of actions during the elaborating and accepting the management decision in this article.
Процесс управления – это непрерывный, целенаправленный социально-экономический и организационно-технический процесс, осуществляемый с помощью различных методов и технических средств
для достижения поставленных задач [1, 9]. Управление рыбохозяйственным предприятием представляет собой сложную систему, составной частью которой является управление резервами развития.
Резервы развития могут быть определены как не вовлеченный в социально-экономические процессы деятельности предприятия комплекс ресурсов (материально-технические, трудовые, организационные, финансовые, информационные ресурсы), а также его внутренние и внешние связи, которые
необходимы для обеспечения устойчивых результатов хозяйствования в условиях формирования рыночной экономики, в т. ч. для компенсации факторов неопределенности и рисков в процессе своего
развития. Все имеющиеся на предприятии резервы развития взаимосвязаны и взаимообусловлены, то
есть составляют систему резервов развития предприятия.
Подсистема управления резервами развития предприятия, как и всякая человеко-машинная система, состоит из управляемого объекта и субъекта управления. В качестве управляемого объекта здесь
выступает предприятие, его экономические отношения с другими хозяйствующими субъектами,
имеющиеся ресурсы, действующие на предприятии технологические процессы и информационные потоки. Управляемой переменной является величина резервов развития предприятия. Субъект управления
– это специальная группа, которая на основе информации от объекта, используя различные методические подходы к функциям управления формированием и реализацией резервов, разрабатывает управляющие воздействия – мероприятия по поиску, мобилизации и введению в действие резервов развития.
Наиболее эффективно управляющую часть можно реализовать в виде специализированного подразделения. На небольших предприятиях эту роль должен выполнять сотрудник (в современной терминологии менеджер по управлению развитием предприятия), прибегающий при необходимости к помощи специализированной консультационной фирмы. В любом случае эта деятельность должна быть подкреплена
соответствующими регламентами и организационно-распорядительными документами, определяющими
для данного предприятия правила и периодичность проведения аналитических процедур, способ фиксации, хранения и повторного использования результатов, порядок представления руководству рекомендаций по реализации резервов в различных хозяйственных ситуациях и контроль за их исполнением.
Разработка и внедрение системы управления резервами развития на предприятии (СУРР) требует
соответствующего обеспечения:
– организационного (руководящие материалы, положения, распределение ответственности между руководителями, подразделениями при создании и функционировании СУРР);
– нормативно-правового (совокупность законодательных, нормативно-правовых актов, регламентирующих деятельность предприятия рыбохозяйственной отрасли);
– методического (совокупность методик, в которых представлена стратегия предприятия, программа развития предприятия, оценки экономического риска, характерного непосредственно для
субъекта хозяйствования и программа управления рисками на данном предприятии);
– информационного (материалы, содержащие данные экономического мониторинга предприятия, внутреннего и внешнего аудита, анализ состояния и перспектив развития отрасли в целом, региона хозяйствования);
– кадрового (специалисты различных уровней управления предприятием, специалисты по менеджменту, экономике и финансам);
74
Вестник Камчатского государственного технического университета
– технического (средства сбора, обработки и отображения информации на базе автоматизированных систем управления, средства связи и передачи данных);
– финансового (средства на приобретение необходимой техники, оплату внешней информации,
услуг связи и заработной платы персонала, занятого непосредственно поиском и реализацией резервов развития предприятия).
Процесс управления резервами развития предприятия можно охарактеризовать как со стороны
его содержания, так и со стороны организации и технологии. Содержание процесса управления определено сущностью управления, его целями, функциями, методами и т. п. (рис. 1).
Целью подсистемы управления резервами развития предприятия является
стабилизация функционирования предприятия и обеспечение устойчивого
динамичного развития предприятия в нестабильной экономической среде
Задачи
–
обеспечение
конкурентоспособности продукции и услуг, расширения рынков сбыта;
–
обеспечение
эффективного
воспроизводства основных фондов;
–
разработка антирисковых мероприятий;
–
координация действий при реализации резервов развития
–
обеспечение эффективного использования производственных ресурсов;
–
поддержание производственных мощностей на оптимальном
уровне;
–
формирование подходов к
управлению рисками, характерными
для деятельности
Функции
Учет
Планирование
Прогнозирование,
анализ
Организация
Контроль
Регулирование
Пути решения проблемы, разработка и внедрение
Методика
комплексного техникоэкономического и
финансового анализа
деятельности предприятия
Методические
основы
мониторинга
внешней
среды
предприятия
Подходы
к созданию каталога
резервов
развития
предприятия
Методика качественной
и количественной
оценки
резервов
Методический подход
к ранжированию, отбору резервов для
формирования системы
Рис.1 Система управления резервами предприятия
75
Подходы
к созданию банка мероприятий
по внедрению
резервов
Методика оценки эффективно
сти реализации
резервов
Экономика рыбной промышленности
Целью создания подсистемы управления резервами развития предприятия является стабилизация
функционирования предприятия и обеспечение устойчивого динамичного развития предприятия
в нестабильной экономической среде. В соответствии с обозначенной целью система должна решить
следующие задачи:
– обеспечение эффективного использования производственных ресурсов;
– обеспечение конкурентоспособности продукции и услуг, расширения рынков сбыта;
– поддержание производственных мощностей на оптимальном уровне;
– обеспечение эффективного воспроизводства основных фондов;
– формирование подходов к управлению рисками, характерными для деятельности предприятия;
– разработка антирисковых мероприятий;
– координация действий при реализации резервов развития.
Подсистема управления резервами предприятия реализует ряд основных задач, связанных с поиском резервов в процессе функционирования предприятия, оценкой уровня резервов при подготовке
хозяйственных решений, координации процессов управления резервами и т. д. На этапе обработки
данных осуществляются функции учета, контроля, анализа и прогнозирования. На этапе принятия
решения реализуются функции планирования, организации и регулирования.
Функционирование подсистемы управления резервами развития предприятия требует максимального использования качественно новых возможностей, предоставляемых современными информационными технологиями (средства телекоммуникаций, система электронных конференций, интегрированные базы данных, объединенные компьютерные сети, экспертные системы, электронные
имитационные модели). Возникает необходимость объединения информационных ресурсов структурных подразделений предприятия и создание интегрированной корпоративной информационной системы управления, функционирующей в реальном масштабе времени, базирующейся на объективных данных по всем сферам деятельности предприятия, обеспечивающей возможность гибкого реагирования
на изменение рыночной ситуации. Создание интегрированной корпоративной информационной системы управления должно обеспечить для руководства предприятия представление объективной картины
работы всех подразделений, которая должна оставаться «прозрачной» для анализа и контроля.
С точки зрения технологии процесс управления представляет собой прежде всего процесс управления организационными процедурами, процессами получения, хранения и переработки разнообразной исходной информации. Технология управления заключается в выборе и реализации определенной последовательности, параллельности, комбинации операций при разработке управленческого
решения. Технология управления формированием и реализацией резервов развития – это комплекс
последовательно осуществляемых мер по поиску и обоснованию системы резервов развития предприятия, мониторингу наступления событий, требующих вовлечения резервов, снижению уровня отрицательных последствий действия неопределенности и риска. Она предполагает как большую аналитическую работу, так и социально-организационную деятельность [2, с. 284].
Управление формированием и реализацией резервов развития предприятия характеризуется определенной технологической схемой управления, существенное влияние на которую оказывает отсутствие необходимой информации, технического и методического обеспечения, сложное переплетение проблем, необходимость учета высокой степени неопределенности и риска. Технологическая
схема управления формированием и реализацией резервов развития предприятия состоит из восьми
блоков (рис. 2). Они характеризуют возвратно-поступательную последовательность различных операций и их групп при разработке и осуществлении управленческого решения и, таким образом, рациональный вариант реализации резервов, способствующих динамичному развитию предприятия.
Блок 1. На этом этапе создается специализированное подразделение (в небольших предприятиях
функции его может выполнять группа или экономист-менеджер, занимающиеся стратегическим развитием). Она может состоять как из сотрудников организации, так и из специалистов, приглашенных
со стороны на время оценки и разрешения возможной кризисной ситуации, при подготовке к реализации крупных инвестиционных и инновационных проектов, обосновании высокорисковых вложений
капитала. Специалисты должны владеть знаниями в области макроэкономики и микроэкономики, исследования сложных систем управления, прогнозирования, планирования и регулирования производственных процессов и т. д. Специалисты также должны обладать методическими и практическими
навыками эффективного управления экономикой в условиях неопределенности и риска, понимать и
учитывать специфику работы предприятия с учетом региональных и отраслевых проблем, функциональные особенности управления финансовыми, сырьевыми и трудовыми потоками, научнотехническое и информационное обеспечение.
В зависимости от размеров предприятия, динамики, направлений и масштабов его развития в
ретро- и перспективе, степени рискованности производственной деятельности, целесообразно создать
76
Вестник Камчатского государственного технического университета
соответствующее структурное подразделение, придав ему статус консультационного органа при аппарате управления предприятием.
1
2
3
4
5
Создание специализированной группы по управлению резервами развития предприятия
Проверка целесообразности и своевременности
проведения мероприятий по формированию системы
резервов развития
Создание системы реализации управленческих решений
Разработка управленческих решений по формированию
системы резервов развития
Реализация управленческих решений
6
Проверка качества выполнения управленческих решений
7
Проверка целесообразности проведения дальнейших работ
по поиску и реализации резервов развития предприятия
8
Прогнозирование сценариев будущего развития
предприятия и вариантов мобилизации резервов
Рис. 2. Технологическая схема управления резервами развития предприятия
Блок 2. На втором этапе технологической схемы управления резервами развития предприятия
предполагается осуществление предварительной проверки своевременности и целесообразности проведения мероприятий по формированию системы резервов развития предприятия в рамках системы
управления функционированием предприятия или реализации инвестиционных проектов. При этом,
во-первых, исходя из оценки этапа развития в целом предприятия, определяется необходимость и целесообразность формирования резервов. Так, если предприятие находится на стадии деструктуризации, то создание резервов нецелесообразно. Во-вторых, процесс формирования резервов развития
предприятия может иметь синхронный, с запаздыванием и стихийный характер. Несвоевременное
осуществление процедуры поиска и реализации резервов снижает эффективность резервирования,
могут возникнуть значительные дополнительные потери. Кроме того, если затраты на резервирование будут превышать величину эффекта от него, то данная процедура становится экономически не77
Экономика рыбной промышленности
оправданной. Таким образом, при нецелесообразности поиска и реализации резервов происходит
возвращение к исходной ситуации – поиску новых целей, обоснованию других мероприятий или поиск вообще прекращается. Если выявлена целесообразность и своевременность поиска и реализации
резервов развития, то осуществляется переход к блоку 3.
Блок 3. На этом этапе разрабатываются управленческие решения. Процесс осуществляется в течение нескольких этапов. Основными из них являются сбор исходной информации о внешнем окружении и внутренней ситуации на предприятии, анализ уровня и перспектив развития, установление
направлений поиска резервов, выявление, количественная и качественная оценка, систематизация,
определение условий реализации установленных резервов, проверка возможности достижения поставленных целей.
Блок 4. На четвертом этапе обосновывается система реализации управленческих решений, т. е.
осуществляются запланированные мероприятия по введению в действие системы резервов. При этом,
во-первых, организуется постоянный мониторинг развития предприятия, который представляет собой
комплекс специальных действий, включающих анализ параметров развития предприятия, определение реальности ухудшения ситуации на предприятии и наступления непредвиденных рисковых ситуаций, оценку возможности и целесообразности дальнейшей реализации выявленных резервов, исходя из сложившейся ситуации. Во-вторых, при выявлении кардинальных изменений по сравнению
с базовым сценарием развития система резервов должна быть уточнена или пересмотрена. Здесь реализуется принцип оперативности формирования резервов развития предприятия.
Блок 5. На данном этапе осуществляется организация выполнения управленческих решений, т. е.
внедрение утвержденного руководством предприятия варианта программы. Это предполагает реализацию конкретных организационно-технических мероприятий в определенной последовательности,
направленных на достижение установленных целей резервирования.
Блок 6. На этом этапе осуществляются оценка и анализ качества выполнения управленческих решений с помощью показателей эффективности резервирования и развития предприятия.
В случае, когда исполнение решения не привело к каким-либо изменениям, рассматривают причины, по которым не выполнены решения или получены результаты, отличные от запланированных.
После определения причин неудовлетворительного исполнения управленческого решения подготавливают новое решение с учетом полученных результатов от уже проведенных мероприятий по использованию резервов предприятия.
Если выполнение управленческого решения дало свои положительные результаты, но не в том
объеме, который необходим, то вносятся изменения в систему реализации управленческих решений.
В том случае, если качество выполнения управленческого решения удовлетворяет критериям эффективности, т. е. оно выполнено и получены необходимые результаты, развитие предприятия оценивается динамичным, в соответствии с разработанной стратегией осуществляется переход к следующему этапу управления резервами предприятия.
Блок 7. Проверяется целесообразность проведения дальнейших работ по поиску и реализации резервов развития предприятия. Она состоит в определении того, какие резервы остались не востребованными, использование каких не принесло ожидаемого результата, в оценке процессов и ситуаций,
которые не были учтены при определении резервов и потерь. По результатам анализа разрабатываются мероприятия по совершенствованию механизма поиска, обоснования и реализации резервов
развития предприятия.
Блок 8. На заключительном этапе для данной технологической схемы осуществляется формирование и оценка сценариев будущего развития предприятия и вариантов мобилизации резервов. Прогнозирование является неотъемлемой частью технологии управления формированием и реализацией
резервов развития предприятия. Оно позволяет предприятию предвидеть отдельные кризисные ситуации, минимизировав последствия; избежать части потерь, связанных с наступлением рисковых
ситуаций; способствовать более динамичному развитию предприятия.
Наиболее ответственный этап для специалистов в представленной технологической схеме управления
формированием и реализацией резервов развития предприятия – разработка управленческих решений.
Общая последовательность разработки управленческих решений представлена на рис. 3, которая
представляет собой цепь с обратной связью, состоящую из девяти блоков.
Блок 1. Он предполагает сбор исходной информации:
– о ситуации на предприятии, в т. ч. анализируются потоки документов (отчеты, планы, долгосрочные договоры с поставщиками и покупателями, типовые контракты по реализации продукции,
оказанию услуг, включая экспортные операции, отчеты ревизионной комиссии, итоги проведения
проверок внутренним и внешним аудитом, налоговыми органами, материалы, переданные в арбитражный суд с неопределенным исходом, отрицательные последствия которых могут существенно
78
Вестник Камчатского государственного технического университета
изменить деятельность предприятия в дальнейшем, схема организационной структуры предприятия
и т. д.), изучается маркетинговая политика, включающая определение ключевых рынков, групп покупателей и их основные потребности;
– о ситуации в отрасли (исследуется научно-техническая информация, директивные материалы,
результаты экспертных оценок специалистов рыбного хозяйства и других отраслей в области анализа
и прогноза состояния отрасли в целом и отдельных ее подразделений, производств, проводится анализ поведения основных конкурентов, оценивается емкость рынка, исследуются перспективные технологии, возможные варианты реконструкции и технического перевооружения действующих мощностей основных производств и предложения по созданию новых);
– о регионе (инвестиционная привлекательность региона – инвестиционный потенциал, инвестиционный риск; наличие квалифицированной рабочей силы, развитие производственной инфраструктуры, положение региона относительно основных центров развития экономики страны, наличие сырьевых ресурсов). В качестве исходной информации могут быть использованы прогнозы
сырьевых ресурсов региона, долгосрочные программы развития региона, нормативно-справочные
материалы, издаваемые органами государственной власти региона, статистические данные и аналитические материалы о развитии региона.
Блок 2. Определение периода развития предприятия, идентификация типовых резервов развития,
характерных для данной стадии развития.
Блок 3. Осуществляется поиск резервов развития на уровне региона, отрасли, непосредственно
предприятия. Комплексный анализ финансово-хозяйственной деятельности предприятия предполагает выявление внутрихозяйственных резервов и слабых мест, в отношении которых необходимо
в дальнейшем вести работу по мобилизации резервов. Оценка уровня развития отрасли, передовых
достижений, рынка технологии и техники, перспектив доступа к сырьевым ресурсам, возможностей
сотрудничества с ведущими научно-исследовательскими и опытно-конструкторскими организациями
отрасли, оценка возможностей предприятий производственной инфраструктуры (судоремонта, рыбных портов, тарных и сетеснастных производств) будет способствовать поиску отраслевых резервов
развития. Анализ динамики рейтинга инвестиционной привлекательности региона (инвестиционный
потенциал, инвестиционный риск его составляющих) позволит оценить возможность расширения
деятельности и привлечения потенциальных инвесторов, выявить региональные резервы развития.
В результате использования всех методов поиска резервов будут выявлены существующие резервы
развития предприятия и составлен их каталог. Под каталогом резервов развития предприятия понимается перечень ранжированных резервов с их краткой характеристикой, выявленных на том или
ином уровне управления (отрасль, регионы, предприятия, подразделения предприятия). При этом резервы должны систематизироваться по основным видам ресурсов.
Блок 4. На основе полученных результатов анализа реального положения предприятия, состояния
среды функционирования делается вывод о реальности возникновения кризисных ситуаций и наступлении рисковых событий, на которые необходимо в первую очередь обратить внимание при формировании системы резервов развития.
Блок 5. Осуществляется количественная и качественная оценка резервов развития, отобранных в
каталог, ранжирование их, исходя из актуальности и значимости для рассматриваемого периода времени и прогнозируемого развития.
Блок 6. Проводится проверка взаимосвязи и взаимоувязки выявленных резервов развития с целью
формирования рационального сочетания их и недопущения повторного счета. Таким образом, должна быть сконструирована единая система резервов развития предприятия.
Блок 7. Создается пилотный (пробный) проект прогнозной модели введения в действие сформированной системы резервов, оцениваются и интерпретируются полученные данные. Создание пилотного проекта представляет собой по существу написание сценария будущего развития предприятия
при условии введения в действие системы резервов в виде упорядоченных во времени и логически
взаимосвязанных событий. Цель создания – уточнение условий, при которых будет происходить развитие предприятия. В процессе разработки пилотного проекта определяются и дополнительные резервы, которые могут возникнуть при его реализации, сравниваются результаты развития предприятия, полученные с учетом введения в действие системы резервов развития и без нее. Если
внедрение намечаемых комплексов резервов не приведет к желаемым результатам, то следует вернуться к пятому блоку и пересмотреть подход к отбору резервов и сформировать новую систему.
В составе четвертого, пятого и шестого блоков могут выполняться работы при различных уровнях методической и программно-математической обеспеченности – от исследования каждой исходной ситуации группой специалистов «вручную» до создания экспертной системы, автоматизирующей
значительную часть работы.
79
Экономика рыбной промышленности
1
Сбор и анализ исходной информации о внутреннем состоянии
и внешней среде функционирования предприятия
2
Определение стадии циклического развития предприятия и
идентификация типовых резервов развития
3
Поиск региональных, отраслевых и внутрихозяйственных
резервов развития
4
Прогнозирование кризисных ситуаций, наступления рисковых
событий
5
Количественная и качественная оценка резервов развития
6
Формирование системы резервов
7
Создание пилотного проекта, прогнозной модели введения
в действие сформированной системы резервов
8
Разработка управленческих воздействий, образующих программу мероприятий по реализации резервов развития предприятия
9
Анализ и оценка системы резервов развития и программы
по ее реализации
10
Введение в действие системы резервов
(принятие управленческого решения)
Рис. 3. Технология разработки управленческого решения в системе управления резервами развития предприятия
Блок 8. На основании разработанной модели и показателей количественной и качественной оценки резервов, входящих в систему, разрабатываются управляющие воздействия, образующие программу мероприятий по реализации резервов развития предприятия.
Блок 9. Система резервов развития и программа мероприятий по ее реализации вновь подвергается
оценке и анализу. При выявлении кардинальных изменений по сравнению с базовым сценарием развития
система резервов и программа мероприятий по ее реализации должны быть уточнены или пересмотрены.
В случае достижения желаемого эффекта сформированная система резервов и программа мероприятий по
ее внедрению рекомендуется руководству предприятия для последующей ее реализации.
Результатом работ в рамках седьмого и восьмого блоков должны стать конкретные суждения о
проблемах, связанных с реализацией программы мероприятий и общая характеристика изменений в
положении предприятия в случае принятия решения о введении в действие системы резервов развития.
Блок 10. При согласии руководства введения в действие системы резервов, т. е. принятии управленческого решения, осуществляется корректировка стратегии развития предприятия.
80
Вестник Камчатского государственного технического университета
Для управления резервами развития предприятия необходимо организовать человеко-машинные
процедуры, т. е. указать сроки проведения работ, форму и объем представления результатов, задать
состав и порядок выполнения процедур поиска, оценки и анализа целесообразности и эффективности
резервирования, подготовить необходимую нормативную и справочную базу, собрать текущую информацию, запустить процесс разработки мероприятий по использованию резервов развития и, наконец, довести выработанные предложения до сведения руководства предприятия, а после их утверждения организовать реализацию резервов предприятия. Эта совокупность действий должна входить
в состав функций подразделения, ответственного за управление резервами развития предприятия.
Пример организационной структуры такого подразделения представлен на рис. 4 (тонкими стрелками
показаны командные связи между структурными элементами, а двойными – информационные).
Необходимый уровень методического и инструментального обеспечения поддерживается специалистом в области перспективного развития, который, выявляя и прогнозируя потребности, заказывает или разрабатывает своими силами методический инструментарий, в т. ч. методики, модели,
программно-математические и информационные средства. Центральным звеном подразделения
«Управление резервами развития предприятия» является служба координации, осуществляющая планирование, организацию и регулирование работы всего подразделения: взаимосвязь с руководством и
другими подсистемами управления предприятия, установление периодичности проведения работ по
мониторингу, определение состава работ очередного цикла формирования и реализации (выбор моделей и методик формирования и реализации резервов, способов фиксации результатов и т. п.); обеспечение взаимодействия исполнительных и информационных групп [3, с. 37].
Другие подсистемы управления предприятием
Руководитель предприятия
Служба координации,
планирования
и регулирования
Специалист мониторинга
и анализа
резервов
Специалист планирования
резервов
Специалист
по управлению введением в действие
резервов
Подсистема управления
резервами развития
Специалист
перспективного
методического развития
Банк нормативной, справочной, методической и архивной информации
Рис. 4. Принципиальная схема организационной структуры управления резервами
на рыбохозяйственном предприятии
Основной проблемой создания и внедрения СУРР на сегодняшний день является отсутствие необходимого ресурсного обеспечения – финансов, техники, информационного и методического обеспечения.
Особую актуальность приобретает поиск и подготовка специалистов, которые могли бы создать систему
внутренних стандартов (правил, методик) по поиску и реализации резервов развития предприятия.
Литература
1. Бороненкова С.А. Управленческий анализ: Учеб. пособие. – М.: Финансы и статистика, 2002.
– 384 с.
2. Антикризисное управление: Учебник / Под ред. Э.М. Короткова. – М.: ИНФРА-М, 2000. – 432 с.
3. Организация управления риском на производственном предприятии // Экономика и математические методы. – 1999. – № 4 – С. 34–37.
81
Промысловая гидроакустика
УДК 681
ПРИЕМНЫЕ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЕ АНТЕННЫ СОВРЕМЕННЫХ СТАЦИОНАРНЫХ
ШУМОПЕЛЕНГАТОРНЫХ СТАНЦИЙ – МОЩНЫЙ ИНСТРУМЕНТ
МОНИТОРИНГА ОКЕАНА
Я.С. Карлик (ФГУП ЦНИИ «Морфизприбор», г. Санкт-Петербург)
Несмотря на чрезвычайную актуальность, проблема краткосрочного прогноза цунамигенных
землетрясений на сегодня остается нерешенной. Одной из причин такого положения дел является
отсутствие необходимых эффективных измерительных инструментов для выявления прогностических признаков таких землетрясений. В настоящей работе дается краткое описание приемной
гидроакустической антенны одной из современных стационарных шумопеленгаторных станций,
которая, по мнению автора, может позволить приблизить решение проблемы краткосрочного прогноза цунамигенных землетрясений. Частотный диапазон описанной антенны позволяет осуществить мониторинг геоакустических полей, обусловленных сейсмоакустической эмиссией, которая
возникает в процессе подготовки землетрясений задолго (до 15–20 суток) до их свершения.
Despite of an extreme urgency, the problem of a short forecast of earthquakes invoking(producing)
tsunamis, remains unsolved nowadays. One of the causes of such position in businesses is the absence of
necessary effective inspection tools for detection of prognostic tags of such earthquakes. In the present
work the brief description of the take up hydroacoustic antenna of one of modern stationary echosounding servers is given which, in opinion of the writer, can allow to approximate solution of a problem of a
short forecast of earthquakes invoking(producing) tsunamis. The frequency range of the circumscribed
antenna allows to realize monitoring geoaudio fields stipulated by seismicacoustic emission, which arises
during preparation of earthquakes long before (till 15–20 of day) up to them свершения.
В науке и технике бывают случаи, когда появление новых приборов, предназначенных для измерения и наблюдения известных физических явлений, приводит к открытию качественно новых явлений природы и, как следствие, к существенному прогрессу в создании технических средств.
В 70-е годы под руководством автора в России была создана уникальная высокоэффективная низкочастотная гидроакустическая приемная стационарная антенная система (рис. 1), несколько экземпляров
которой находятся в эксплуатации в районе Тихого океана вблизи берегов полуострова Камчатка.
Рис. 1. Антенная БГАС «Агам».
Основные габаритные характеристики антенны: высота – 16,8 м; ширина – 4,1 м; длина – 102, 5 м;
водоизмещение в рабочем положении – 1480 м3; глубина установки – до 350 м
Приемная антенна представляет собой двухрядную плоскую дискретную фазированную решетку
площадью 750 м2. Антенна содержит 2 400 гидрофонов, размещенных в двух плоскостях, по 1 200
гидрофонов в каждой плоскости. Для уменьшения помех, принимаемых с тыльной стороны антенны,
вместо традиционного экрана использован способ так называемого «электрического» экранирования.
На базе двухрядной решетки гидрофонов путем специального включения сигналов от двух рядов
гидрофонов формируются характеристики направленности формы «кардиоиды», обеспечивающие
малый уровень приема сигналов с тыльной стороны антенны. Конструктивно гидрофоны размещаются на специальной несущей конструкции (КМЧ), которая обеспечивает возможность буксировки ан82
Вестник Камчатского государственного технического университета
тенны морем к месту установки, установку ее в заданное положение у дна моря, удержание антенны в
рабочем положении с высокой точностью при воздействии течений со скоростью до двух узлов (рис. 2).
Антенная система удерживается у дна с помощью двух якорей, весом по 65 тонн каждый. Информация, принимаемая гидрофонами, передается на береговой пост (БП) по специальным морским кабелям с сохранением амплитудно-фазовых соотношений между сигналами, что позволяет на БП формировать веер остронаправленных характеристик в горизонтальной плоскости в секторе ±90°
от нормали к плоскости антенны. По американской классификации указанная антенна известна под
именем «Claster lance» [1]. По своей значимости для науки и техники создание такой антенной системы в России можно поставить в один ряд с созданием в 1956 г. радиотелескопа с фазированной антенной решеткой в виде сектора цилиндра с радиусом 100 м и созданием в 1975 г. оптического телескопа с диаметром зеркала 6 м.
Многолетний опыт использования указанных гидроакустических приемных антенн показал их
большие информативные возможности для
проведения широкомасштабных экспериментальных исследований по большому
спектру научных и прикладных проблем
мониторинга океана.
В настоящее время в рамках федеральной целевой программы (ФЦП) «Мировой
океан» совместно с учеными Института
океанологии им. П.П. Ширшова РАН и Института прикладной физики РАН мы приступаем к созданию системы наблюдения и
сбора гидроакустической информации, содержащей прогностические параметры подводных землетрясений и волн цунами.
В качестве первого шага в этом наРис. 2. Схема буксировки антенны судном
правлении предполагается создать на базе
одной из действующих стационарных гидроакустических систем ВМФ России в районе полуострова Камчатка экспериментальный комплексный пункт мониторинга землетрясений и волн цунами.
Известно, что подвижки земной коры, вызывающие землетрясения, сопровождаются так называемой сейсмоакустической эмиссией [2, 3]. Сейсмоакустические сигналы всегда сопутствуют и, вероятно, предшествуют сейсмическим событиям. Дж. А. Эйби [4] приводит пример необычного поведения овец и крупного рогатого скота за 15 минут до землетрясения. Объясняет он это тем, что
животные ощущают какие-то предваряющие землетрясения деформации земной поверхности, которые находятся за пределами восприятия человека. В классической японской литературе имеются сообщения о том, что местные жители слышали гул из-под земли за несколько дней перед землетрясением, а за несколько часов были слышны исходящие из недр звуки, подобные взрывам.
В Гарме в 1950 г. за два часа перед землетрясением наблюдались колебания поверхности земли в диапазоне частот до 500 Гц. Это дало основание профессору Т. Рикитаке заметить, что изучение колебаний в
звуковом акустическом диапазоне частот может оказаться полезным для предсказания землетрясений [5].
Как известно, одной из основных причин возникновения катастрофических волн цунами являются подводные землетрясения, эпицентры которых залегают на относительно небольших глубинах под
дном океанов. Сейсмическая активность, предшествующая таким землетрясениям, должна сопровождаться возбуждением в водной среде геоакустических полей, что создает определенные предпосылки
для краткосрочного прогноза цунами генных землетрясений.
В этой связи большой интерес представляют результаты непрерывных скважинных геоакустических наблюдений в диапазоне частот от 3 Гц до 2 кГц, проводимых Институтом вулканологии ДВО
РАН с августа 2000 г. [2]. За период с 1 января 2001 г. по 31 мая 2002 г. в районе наблюдений произошло 19 землетрясений с магнитудой М ≥ 5,0, с эпицентральными расстояниями до 480 км и глубиной очага до 580 км. Перед всеми землетрясениями, кроме двух, имевших глубину очага более 500
км, наблюдались значительные нарушения суточного хода уровня геоакустических шумов, причем
изменения начинались за время, исчисляемое от 1 до 20 суток до землетрясения. Полученные результаты позволили ученым Института вулканологии ДВО РАН с января 2002 г. перейти к пробным
краткосрочным прогнозам землетрясений в реальном масштабе времени.
Учитывая, что условия распространения геоакустических сигналов, обусловленных акустической
эмиссией, в водной среде значительно благоприятней, чем в земной коре, можно ожидать более ве83
Промысловая гидроакустика
сомые результаты при приеме указанных сигналов гидроакустическими стационарными антеннами.
Об этом свидетельствуют также результаты исследований тектоники земных слоев, проводившихся
американскими учеными в 1993 г. с помощью известной гидроакустической системы SOSUS. Антенны системы SOSUS регистрировали на два порядка больше землетрясений, чем сейсмографы мировой стандартизированной сейсмографической сети.
Поскольку гидроакустические сигналы, создаваемые сейсмоколебаниями, регистрировались
на выходе сформированных характеристик направленности, удалось существенно улучшить отношение сигнал/шум, а также локализовать источники землетрясений (эпицентры) при использовании нескольких разнесенных в пространстве антенн.
Учитывая, что эффективность российских приемных гидроакустических антенн существенно
выше приемных антенн системы SOSUS, можно ожидать с их помощью более высоких результатов
мониторинга цунами генных землетрясений.
Литература
1. Зарубежная печать о системах подводного наблюдения СССР. Jane’s Underwater Warfare Sistems, 1989–1990, р.147.
2. Беляков А.С. Методы сейсмоакустических наблюдений // Физика земли.– 1995.– № 8.– С. 89–93.
3. Сейсмоакустика переходных зон / Гаврилов В.А., Морозова Ю.В., Зуев Ю.В., Шушпанов Г.А.. //
Второй всероссийский симпозиум, Владивосток, 3–7 сентября 2001 г. Материалы докладов. – Владивосток, 2001. – С. 15–16.
4. Эйби Дж. А. Землетрясения.– М.: Недра, 1982.– 264 с.
5. Рикитаке Т. Предсказания землетрясений.– М.: Мир, 1979.– 388 с.
УДК 681.883.062
МЕТОДИКА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО РАСПОЗНАВАНИЯ СИГНАЛОВ КРАБОВ
И.Н. Каневский, Е.В. Осипов (МГУ им адм. Г.И. Невельского, г. Владивосток)
В настоящее время поиск скоплений крабов осуществляется с помощью контрольных постановок ловушечных порядков на разрезах и изобатных маршрутах, а расстояние между станциями
и направление поиска для каждого района (популяции) выбирается в зависимости от площади вероятностного нахождения краба, опыта и знания капитаном особенностей поведения крабов.
Современные эхолоты не позволяют точно определить нахождение крабов на дне. Для решения
задачи автоматического распознавания сигналов краба автором предлагается программная система на основе нейронных сетей.
Now the search of congestions of crabs is carried out with the help of control statements of crab traps on
sections and route curves, but the distance between stations and a direction of search for each area (population)
is taken in the dependence of the area of evident presence{findings} of the crab, experience and knowledge of the
captain in the field of behaviour of crabs. Modern echo-soundings do not allow to define{determine} precisely
presence{finding} of crabs on the bottom. For the decision of a problem{task} of automatic recognition of signals
of the crab the author offers the program system on the basis of neural networks.
В настоящее время поиск скоплений крабов осуществляется с помощью контрольных постановок
ловушечных порядков на разрезах и изобатных маршрутах, а расстояние между станциями и направление поиска для каждого района (популяции) выбирается в зависимости от площади вероятностного
нахождения краба, опыта и знания капитаном особенностей поведения крабов [1]. Современные эхолоты не позволяют точно определить нахождение крабов на дне.
Поэтому для обнаружения скоплений крабов акустическими методами в настоящее время разработаны два подхода. Суть первого из них состоит в следующем.
В предполагаемом районе промысла устанавливаются буи, оснащенные гидрофонами, которые
передают звуковую информацию на судно, где она может быть проанализирована. Судно оснащается
антенной, непрерывно излучающей сигнал определенной частоты и мощности, на который накладывается сигнал, произведенный у дна. В результате выделения и анализа наложенного сигнала опытный оператор визуально и на слух может определить сигнал крабов.
Как показала практика, определение сигналов краба оператором является трудной задачей, так
как опорные сигналы крабов, издаваемые при передвижении, по длительности составляют 0,5–1 секунду [2]. Поэтому возникла необходимость создания системы автоматического распознавания сигналов краба, чтобы увеличить точность и быстроту этого процесса.
84
Вестник Камчатского государственного технического университета
Для решения задачи автоматического распознавания сигналов краба использована программная
система на основе нейронных сетей. Нейронная система состоит из нейронов (объектов) и связей между ними. На рис. 1 показана модель нейрона.
ω1
x1 ω 2
x2
xN ω N
Σ
S
f
y
Рис. 1. Искусственный нейрон с активационной функцией
Уровень возбуждения S-нейрона определяется по формуле:
S=
N
∑ω x ,
(1)
i i
i =1
где: x1, x2, ..., xN – набор входных сигналов;
ω1, ω2, ..., ωM – аналог эффективности синапса (вес связи).
Выходной сигнал нейрона y определяется путем пропускания возбуждения S через нелинейную
функцию f:
y = f (S – θ),
(2)
где θ – некоторое постоянное смещение (аналог порога нейрона). Обычно в качестве функции f используют сигмовидную функцию:
y=
1
.
(1 − e −(S −θ) )
(3)
Для определения количества нейронов на внешнем слое сети рассмотрим опорный сигнал краба,
показанный на рис. 2. По горизонтальной оси отложено время (с), а по вертикальной – уровень звукового давления (dБ).
а)
б)
Рис. 2. Сигналы крабов: а) в бассейне, б) в море
Эхограмму разделим на квадраты (рис. 3), размеры квадратов на определенном участке опорного
сигнала краба будет определять минимальное количество нейронов на внешнем слое.
85
Промысловая гидроакустика
Рис. 3. Разбивка эхограммы сигнала краба на квадраты
Исследования нейронных систем показывают, что увеличение точности распознавания зависит
от количества нейронов на внешнем слое. В приведенном нами приборе нейронная сеть имеет три
слоя: внешний, скрытый и выходной, как показано на рис. 4.
Рис. 4. Схема нейронной сети
Обучение нейронной сети осуществляется с помощью записанных сигналов методом обратного распространения ошибки. Для передачи образа сигнала в нейронную сеть система автоматически выделяет участки информации продолжительностью 0,5 с, которые выше уровня шума. Работа
системы продемонстрирована на эхограмме, показанной на рис. 5, где приведены информационные
признаки двух крабов: краб 1 перемещается вблизи гидрофона, а краб 2 удаляется от него.
Рис. 5. Информативные признаки двух крабов
Данная система обладает возможностями как ассоциативного, так и логического мышления, что
значительно расширяет ее возможности. Такой подход к распознаванию сигналов может быть применим и к обнаружению других гидробионтов.
86
Вестник Камчатского государственного технического университета
Литература
1. Слизкин А.Г, Сафронов С.Г. Промысловые крабы прикамчатских вод. – ПетропавловскКамчатский: Северная Пацифика, 2000. – 180 с.
2. Алифанов Р.В., Осипов Е.В. Определение опорных звуков камчатского краба для создания
приборов и алгоритмов его обнаружения // Тр. Дальрыбвтуза, 2002 (в печати).
УДК 359.2:061.62
ПРИМЕНЕНИЕ РЫБОЛОКАТОРА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ
ПОВЕДЕНИЯ РЫБ В ПОТОКЕ ВОДЫ
А. И. Марколия (ВНИРО, г. Москва)
В статье рассматриваются вопросы применения рыболокаторов для исследования поведения рыб и оценки их количества в потоке воды. Использование данных приборов представляет
практический интерес для специалистов рыбопромысловых предприятий и рыбоводных хозяйств.
The questions of application of finders to research the behaviour of fishes and estimation of the
amount in a stream of water are examined in the article. Use of the given devices is practically important
for experts of the fish and fish-breeding enterprises.
Автором разработаны гидролокаторы для оценки количества рыб в потоке воды – серия приборов типа АРСУ (акустические рыбосчетные устройства). Эти приборы используются для контроля
количества рыб, идущих на нерест, и количества молоди, выпускаемой рыбозаводами в водоемы.
Основное отличие АРСУ от широко используемых гидроакустических (ГА) рыбопоисковых
комплексов (рыболокаторов) состоит в том, что ГА-антенны АРСУ работают в ближней зоне, тогда
как ГА-антенны рыболокаторов работают в дальней зоне. В связи с конструктивными особенностями
ГА-антенн АРСУ и выполняемой прибором задачей, электронная схема АРСУ существенно отличается от электронных схем рыболокаторов.
На рис. 1 приведена конструкция одной секции ГА-антенны АРСУ. Под крышкой 1 из оргстекла
расположены круглые плоские излучатели 2 из пьезокерамики, помещенные в прямоугольный стальной корпус. Последний заполнен касторовым маслом 4. Задняя стенка корпуса покрыта пенопластовым экраном 5. Излучающая поверхность секции ГА-антенны равна 120 × 1 000 мм², резонансная частота пьезокерамических излучателей – 300 кГц. Комбинация секций ГА-антенны позволила обеспечить
протяженность ближней зоны до 18 м в горизонтальной плоскости и до 200 м в вертикальной.
Рис. 1. Конструкция одной секции ГА-антенны АРСУ
87
Промысловая гидроакустика
Структурная схема прибора АРСУ показана на рис. 2. Здесь 1 – приемно-излучающая
ГА-антенна, 2 – приемно-передающий тракт, 3 – излучающий тракт, 4–9 – счетно-логическая схема.
Сплошными линиями показаны пути прохождения основных сигналов, а прерывистыми – пути прохождения командных сигналов, управляющих работой счетно-логической схемы.
Рис. 2. Структурная схема прибора АРСУ
При посылке импульса, излучаемого ГА-антенной, вырабатывается строб-импульс, за время действия которого подсчитывается число импульсов, отраженных от рыб. С выхода 2 импульсы поступают на регистратор 5, а затем – на схему вычитания 6. После окончания действия строб-импульса по
команде блока 5 запускается блок управления 4. Последний выдает команды: блоку 8 – вычесть, блоку 5 – запомнить, блоку 7 – суммировать. Блок 9 – индикатор, показывающий количество рыб, прошедших через зону действия ГА-антенны. Благодаря такой логической схеме обработки информации
ошибка при оценке количества рыб минимальна.
Применение прибора АРСУ для контроля количества рыб на различных реках и в лимане (при течении воды) показало, что прибор АРСУ пригоден для определения поведения рыб в различных условиях.
Первые наблюдения за поведением рыб были проведены на реке Киевка Приморского края. В
месте проведения испытаний река имела ширину около 70 м. Глубина реки плавно изменялась от 4 м
у правого берега до нуля у левого берега. Период испытаний предшествовал ходу на нерест двух видов лосося: симы и кунжи. ГА-антенна из двух секций с общей длиной 2 м была установлена у правого
берега так, что ее верхняя часть находилась ниже уровня воды на 0,2 м. От рыб наблюдались примерно
каждые 3 секунды четкие эхо-сигналы характерной формы. При бросании камней в зону действия
ГА-антенны количество эхо-сигналов резко сокращалось, что свидетельствовало о распугивании рыб.
Длительное наблюдение за поведением рыб с помощью прибора АРСУ позволило установить,
что с наступлением сумерек частота эхо-сигналов сокращалась в 3–5 раз по сравнению с дневным
временем. Это означает, что плотность хода рыб с наступлением сумерек намного меньше, чем днем.
Прибор АРСУ позволил также определить плотность распределения рыб по глубине. Для этого
поочередного включались только нижняя или только верхняя секция ГА-антенны. Было установлено
преобладание эхо-сигналов при включении нижней секции. Это говорит о неравномерном распределении рыб по глубине реки: рыбы перемещаются по всему сечению реки, однако их плотность выше
в нижних слоях воды. Увеличив количество секций ГА-антенны, можно с помощью АРСУ получить
более детальное распределение рыбы по глубине.
Следующий эксперимент, проведенный в протоке реки Терек в Дагестане, позволил обнаружить
с помощью АРСУ реакцию идущих на нерест рыб (воблы, сазана, леща и жереха) на орудия лова.
Ширина протоки составляла 10–15 м, глубина от 1 до 2,5 м, скорость течения 1–1,5 м/с. Прибор
АРСУ работал при частоте посылок 5 имп/с. Малая прозрачность воды исключала визуальные наблюдения за рыбой. Поэтому для проверки показаний прибора АРСУ, фиксировавшего число прошедших рыб, было решено использовать контрольные обловы с помощью плавной сети. Однако при
постановке сети показания АРСУ резко падали. Это свидетельствовало о том, что рыба пугалась орудий лова и возвращалась вниз по течению. При подъеме сети, спустя некоторое время, возобновлялся
ход рыбы, о чем свидетельствовали показания счетчика АРСУ. Было установлено, что рыбы реагировали на орудие лова с расстояния 20 м, несмотря на низкую прозрачность воды. При новом опускании
сети в воду счетчик АРСУ начинал учащенно срабатывать от непрерывно следовавших один за другим
эхо-сигналов от рыб, стремительно покидавших опасную для них зону. Затем наступало затишье, означавшее, что все ранее проплывавшие мимо ГА-антенны рыбы вернулись и ушли вниз по течению.
88
Вестник Камчатского государственного технического университета
Прибор АРСУ позволил определить динамику хода рыбы в протоке Терека в течение суток. Для
этого показания счетчика снимались каждые полчаса с последующим включением аппаратуры также
на полчаса. Результаты подсчета числа рыб в течение суток приведены на рис. 3 в виде гистограммы,
из которой видно, что плотность хода рыбы максимальна в утренние часы (от 4-х до 6-ти часов), минимальна в дневное время (от 13-ти до 18-ти часов) и неравномерна в остальное время суток.
Рис. 3. Динамика хода рыбы в течение суток
Суточный ход лососевых рыб, идущих на нерест, исследовался с помощью АРСУ на Камчатке,
когда рыба шла по реке Озерной в Курильское озеро. Подсчеты числа рыб проводились на рыбозаграждении, которое полностью перекрывало пути миграции рыб. Рыбы проходили в озеро со скоростью 0,4–0,6 м/с через окно размером 0,8 × 0,25 м2, которое полностью перекрывалось акустическим
полем поставленной вертикально ГА-антенны прибора АРСУ. Показания прибора снимались ежечасно в течение 5 суток, результаты его показаний контролировались подводной телевизионной камерой. Относительная погрешность АРСУ составила ±8,4 %. Было показано, что рыба идет на нерест
только в светлое время суток с максимальной интенсивностью с 12 до 15 часов местного времени.
Средняя интенсивность хода рыбы колебалась от 500 до 700 рыб/час.
Дальнейшие исследования прибора АРСУ в натурных условиях показали возможность их применения для определения влияния на миграцию рыб абиотических факторов: скорости течения, его направления, температуры воды и воздуха и др. Для этого исследования проводились в Миусском
опытно-рыбоводном хозяйстве на плотине, отделявшей Миусский лиман от моря. Исследования на
плотине представляли особый интерес, так как, в зависимости от направления и силы ветра, возникали либо нагонные течения (из моря в лиман), либо сгонные течения (из лимана в море). При этом через каждый из 3-х пролетов плотины проходило различное количество рыбы (судака, леща, тарани,
чехони). Измерения подтвердили многолетние визуальные наблюдения, что наибольшее количество
рыбы проходит через третий пролет плотины. Наиболее интенсивный ход рыбы в лиман происходит
при слабых сгонных течениях со скоростью 0,5–1 м/с.
Таким образом, приборы АРСУ, разработанные для оценки количества рыб в потоке воды, пригодны также для проведения следующих операций: для определения реакции рыб на орудия лова, для
определения особенности поведения рыб в течение суток, для учета влияния на миграцию рыб абиотических факторов. Эти сведения позволяют обогатить знания о поведении рыб специалистов как
рыбопромысловых предприятий, так и рыбоводных хозяйств.
89
Промысловая гидроакустика
УДК 621;639,2.081
НОВЫЕ АКУСТИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ НА СЛУЖБЕ РЫБОДОБЫВАЮЩЕГО ФЛОТА
Я.С. Карлик (ЦНИИ «Морфизприбор», г. Санкт-Петербург),
И.В. Красников (КамчатГТУ)
В статье рассматриваются возможности повышения эффективности промысла морских
гидробионтов на примере камчатского краба с использованием гидроакустических технологий.
Впервые приводится информация о разрабатываемом шумопеленгаторе-крабоискателе.
In paper the possibilities of effective rise of marine hydrobionts craft, on an example of the Kamchatka crab, with usage of hydroacoustic technologies are considered. The information of a developed direct-listening crab-searching sonar system, given for the first time.
На рыбодобывающих судах в течение длительного времени используются активные гидроакустические средства промысловой разведки. В настоящее время развитие средств активной локации
идет по пути совершенствования пользовательского интерфейса, создания трехмерных гидролокаторов. Современные промысловые гидроакустические средства позволяют наглядно отображать на
средствах визуализации обнаруженные в пелагиали стаи рыб, образующие плотные скопления. Данные технические средства хорошо известны и получили широкое распространение.
Последнее десятилетие отмечено активным внедрением в народное хозяйство достижений военной промышленности. Использование новых акустических технологий позволяет не только обнаруживать скопления гидробионтов, но и решать ряд нетрадиционных задач:
− обеспечение сохранности орудий лова от утраты и хищения;
− регулирование поведения гидробионтов;
− обнаружение объектов промысла, не образующих плотных скоплений.
Возможности новых технологий можно проиллюстрировать на примере добычи такого ценнейшего объекта промысла, как камчатский краб.
Обеспечение сохранности орудий лова от утраты и хищения
С 1979 г. добыча краба ведется с применением ловушек. При ведении промысла ловушки объединяются в порядки. Типовой порядок ловушек состоит из: ловушек, вех, радиобуя, световых буев,
кухтылей, подмаячников, подъякорных концов, хребтины, якорей, грузов, буйковых концов (рис. 1).
Радиобуй
Световой
буй
Уголковый
отражатель
Веха
Кухтыли
Подмаячный
конец
Груз
Ловушка
Хребтина
Подъякорный
конец
Якорь
Рис. 1
Количество ловушек в порядке – от 100 до 200 штук, расстояние между ловушками – 10–16,5 м. Вехи
изготавливают из бамбука длиной 6 м, оснащают грузом 10–15 кг, плавучестью 100–110 Н (3–4 кухтыля
полиэтиленовых диаметром 500 мм), угловым отражателем и флажком, на который наносят название
судна и номер порядка. Радиобуй крепят к одному из концов порядка и используют для его поиска. Световые буи крепят по концам порядка для его обозначения и облегчения поиска в ночное время.
90
Вестник Камчатского государственного технического университета
С одной стороны, использование крабовых ловушек сделало промысел более рациональным за
счет снижения непредусмотренной промысловой смертности крабов. Ловушки позволяют отбирать
только промысловых самцов, выпуская самок и маломерных самцов неповрежденными, что повысило экологическую безопасность промысла [1]. С другой стороны, использование ловушек на промысле краба привело к возникновению экологической проблемы, связанной с систематической утратой
крабовых порядков. Типовое промысловое судно (российский средний рыболовный траулер проекта
503) имеет на борту 10 порядков крабовых ловушек. Однако до 20 % орудий лова ежегодно утрачивается в процессе промысла [2].
Причиной столь значительных потерь является несовершенство используемых в настоящее время
крабовых порядков. Утрата крабовых порядков обусловлена неблагоприятными гидрометеорологическими условиями промысла (дрейфующие льды, шторма, течения и т.д.), непреднамеренным повреждением снастей вследствие большой концентрации судов в промысловом районе, физическим
износом орудий лова и слабой технической оснащенностью судов. В случае обрыва сигнальных вех
найти немаркированный порядок практически невозможно. Потеря порядков ловушек приводит к
значительному материальному ущербу.
Так, в 1995 г. на Дальнем Востоке было добыто 33 600 т краба, при этом ущерб только от потери
орудий лова составил 4 200 000 USD. Не менее существенные потери при этом судовладелец несет
также от недолова, непроизводительных затрат времени, топлива и других ресурсов, необходимых
при поисковых работах [2].
Угроза экологическим системам, биологическим ресурсам рыболовства, а следовательно, продовольственной безопасности общества обусловлена тем, что промысловые концентрации крабов из года в год
наблюдаются, как правило, на одних и тех же достаточно ограниченных участках акватории. Потерянные
орудия лова в районах массового обитания беспозвоночных, на путях их миграций, нереста становятся
«могильниками» для крабов, так как многие, попав в них, не могут самостоятельно их покинуть.
В целях уменьшения экологического вреда, причиняемого утратой крабовых порядков, приказ
Госкомрыболовства РФ № 344 от 28 декабря 2000 г. в статье 7.13 предписывает: «При промысле крабов обеспечить поиск и подъем утерянных порядков, а также отдельных ловушек, с записью о принятых мерах в судовом и промысловом журналах».
Известен один из путей решения задачи надежного сохранения разведывательных и
промысловых 1 крабовых порядков – использование гидроакустической системы [3], представляющей
две подсистемы, которые могут использоваться как совместно, так и независимо друг от друга. Основу первой из них составляет гидроакустическое устройство дистанционного отсоединения заглубленных технических средств лова (ГАРД). Основу второй подсистемы составляет радиогидроакустическое устройство контроля орудий лова (РАСКОЛ).
Устройство ГАРД выполнено в виде двух функциональных блоков: бортового, расположенного
на рыбопромысловом судне, и автономного подводного (малогабаритный гидроакустический буй
с механическим замком) (рис. 2).
Бортовая часть аппаратуры предназначена для формирования и излучения по гидроакустическому каналу кодированного сигнала управления. Для этого в воду на глубину не менее 10 м с борта
судна опускается излучатель гидроакустических сигналов, который ненаправленно излучает серию
сигналов управления.
Морская часть аппаратуры предназначена для приема сигнала управления с расстояния не менее
2–3 км от судна, его дешифрации и механического отсоединения буя от троса, прикрепленного к орудиям лова. В рабочем состоянии основной буй, имеющий в снаряженном состоянии положительную
плавучесть, с необходимым запасом фала заглублен на горизонт 20–50 м от поверхности моря. В случае совпадения кода сигнала управления с кодом, установленным в ГАРД, срабатывает механический
замок прибора, и буй, благодаря своей плавучести, всплывает на поверхность моря.
Устройство РАСКОЛ также выполнено в виде двух функциональных блоков: бортового и автономного морского (малогабаритный радиогидроакустический буй).
Бортовая часть аппаратуры предназначена для формирования и излучения по гидроакустическому каналу кодированного сигнала-запроса, а также приема по радиоканалу сигнала-ответа, по которому определяется расстояние между рыбопромысловым судном и устройством РАСКОЛ при удаленности 5-7 км (в зависимости от погодных условий).
Морская часть аппаратуры используется для приема по гидроакустическому каналу кодированного сигнала управления, его дешифрации и включения радиопередатчика и проблескового маяка.
В рабочем состоянии радиогидроакустический буй может находиться на поверхности моря (если уст1
Разведывательный крабовый порядок отличается от промыслового меньшим количеством ловушек.
91
Промысловая гидроакустика
ройство РАСКОЛ используется самостоятельно) или заглубляться на горизонт нахождения ГАРД
(при совместном использовании с устройством ГАРД).
Сигнальный буй
2 000 – 3 000 м
10 – 20 м
Сигнал управления
20 – 50 м
Излучатель
Основной буй
ГАРД
Запас фала
Рис. 2
Согласно публикациям, система отличается высокой эффективностью (технический поиск сигнального буя на поверхности моря, непрерывный контроль расстояния между судном и орудием лова
и т.д.), надежностью в работе, простотой конструкции, а при ее массовом производстве – незначительной стоимостью. Ее применение позволяет повысить экологическую безопасность промысла
и эффективно решать задачу сохранения орудий лова.
Регулирование поведения гидробионтов
При использовании ловушек на уловистость краба оказывает существенное влияние качество
приманки и место постановки порядка. В качестве приманки используются свежие (свежемороженые) минтай, сельдь, головы трески и палтуса. Свежемороженая рыба для приманки предварительно
дефростируется. Приманка рубится на куски и помещается в специальные пеналы-контейнеры. В каждую ловушку закладывают один пенал и одну целую рыбину на специальном зажиме. При этом
расход рыбы на одну ловушку составляет 600–800 г, на порядок из 200 ловушек расходуется 160–180 кг
приманки. После подъема ловушек вся нажива заменяется.
Экспериментально было установлено, что наиболее эффективное время экспозиции крабового
порядка составляет 20–24 часа. При большем времени нахождения в воде приманка теряет свои свойства, крабы стремятся выйти из ловушки, и многим это удается. После суточного нахождения в воде
приманка перестает привлекать крабов [1]. Значительно повысить уловистость ловушек позволяет
использование пищевых приманок совместно с акустической приманкой КрАП.
Акустические приманки привлекают краба путем излучения искусственного 2 сигнала, имитирующего звуки питания краба. Акустические приманки выполнены в двух исполнениях [4]:
− КрАП-1 – устанавливается над ловушками на расстоянии 10–30 м, уровень звукового давления на расстоянии 1 м не менее 100 Па, радиус зоны действия до 1 000 м, повышает уловистость 1–3
крабовых порядков, состоящих из 100–120 ловушек;
− КрАПм – предназначена для установки непосредственно в ловушке, радиус зоны действия
50–200 м, повышает уловистость 6–8 соседних ловушек, но снижает уловистость ловушки, в которой
устанавливается, на 40–70 %.
Применение акустических приманок тем эффективнее, чем ниже концентрация крабового скопления.
Крабы, находящиеся в зоне действия акустической приманки, начинают движение в направлении источника
звука. По мере приближения краб оказывается в зоне действия пищевой приманки и попадает в ловушку.
2
На начальных этапах экспериментов использовались естественные сигналы, издаваемые крабами во время питания.
92
Вестник Камчатского государственного технического университета
Поскольку поиск пищи крабом по запаху является ненаправленным, а на источник звука он выходит прямолинейно, то это заметно сокращает время его подхода к ловушкам, а пищевая приманка
наиболее эффективна в первые часы экспозиции. Значительный радиус действия акустической приманки позволяет увеличить зону облова [4].
Однако даже при использовании высококачественных пищевых приманок в комплексе с эффективными акустическими приманками 3 радиус зоны облова не превышает 1 000 м. Эффективность
промысла находится в прямой зависимости от выбора места постановки крабового порядка.
Обнаружение объектов промысла, не образующих плотных скоплений
Актуальность создания эффективного средства поиска промысловых скоплений такого важного
объекта промысла, как камчатский краб, назрела давно. Значительное снижение численности популяции камчатского краба в традиционных районах промысла за последние годы диктует необходимость
поиска и освоения новых, ранее не облавливаемых группировок.
Используемый в настоящее время для поиска и оценки запасов метод контрольных ловушек является малоэффективным, затратным, не дает возможности получения оперативной информации
(время застоя ловушек – 1–2 суток) и сопровождается подъемом на борт молоди и самок краба. Часть
непромысловых крабов гибнет, что усугубляет состояние популяции. Современные средства активной гидролокации малоэффективны при поиске крабовых скоплений.
Несмотря на относительно высокую отражающую способность краба, активные методы эхолокации не нашли применения в его разведке. Даже на высоких ультразвуковых частотах (300 кГц), где
эхо-сигналы от краба наиболее интенсивны, а небольшие промысловые глубины благоприятствуют
применению этих частот, эхолокация крабов не дает желаемого эффекта, так как промысловые концентрации крабов являются крайне разреженными, а это означает, что нужно непроизводительно искать одиночные экземпляры крабов узконаправленным «игольчатым» вибратором, перекрывающим
при глубине 50 м полосу дна всего лишь в 3 м. Кроме того, даже при исключительно высокой разрешающей способности эхолота (0,2 м) зарегистрировать крабов можно лишь в случае, если они будут
ходить на вытянутых ногах; в противном случае, а тем более при наличии донной реверберации, обнаружить крабов не удается [5].
Ввиду малой эффективности использования средства активной локации для обнаружения краба
возникла необходимость биоакустических исследований с целью выяснения возможности обнаружения крабов по издаваемым ими шумам.
Подобные исследования были проведены в 1969 г. на СРТМ «Космический» в шельфовых водах
восточного и западного побережий Камчатки. В районах крабового промысла проводилась запись
биологических шумов в море на калиброванной аппаратуре ВНИРО – широкополосном пьезоэлектрическом гидрофоне и магнитофоне УХЕР с равномерной полосой пропускания от 50 до 20 000 Гц.
Результаты проведенных исследований изложены в работах [6–8]. Данные публикации подтверждают
излучение крабами акустических сигналов. В процессе экспериментов, проведенных в Камчатском
заливе и Охотском море, наблюдались взрывоподобные шумы широкого спектра частот, носящие
регулярный характер. Уровень звукового давления таких «взрывных волн» круто нарастает,
а затем быстро спадает до уровня фоновых шумов моря. Длительность и уровни звукового давления
взрывных волн различны. Наиболее длительные (6,5 с) сигналы записаны в Камчатском заливе. Уровень звукового давления в точке приема зависел от расстояния до шумоизлучающих объектов и во
многих случаях превышал уровень шумов моря на 20–30 дБ. Столь интенсивные и к тому же регулярные биологические шумы представляют большой интерес для использования их в промысловой
разведке. При этом дальность может достигать 1 км [6, 8].
В итоге тщательных систематических наблюдений, проведенных в различное время суток, удалось установить, что взрывные волны представляют собой совокупность довольно разнообразных
импульсных звуков, издаваемых крабами, и суммируются из сигналов многочисленных особей, вступающих в «хор» одновременно. В тех же районах моря были записаны и высокочастотные шумовые
вспышки, которые также излучаются крабами. Высокочастотные «вспышки» являются лишь составной частью «взрывных волн». Последние часто сопровождаются многочисленными потрескиваниями
длительностью 1 мс. Крабы издают также певуче-скрипучие звуки, рокотание, звонкие импульсы
и низкочастотные пульсации. Е.Н. Шишкова производит систематизацию шумов камчатского краба [5].
Еще один важный вывод получен в результате проведения этих работ: «Кроме камчатского краба, акустически активными являются также и другие виды крабов, в частности краб-стригун Chionoecetes opilio (Fabricius) и волосатые крабы семейства Atelecyclidae: пятиугольный Telmessus cheirago3
Акустические приманки еще не получили широкого распространения и недоступны для большинства судовладельцев.
93
Промысловая гидроакустика
nus (Tilestus) и четырехугольный Erimacrus isenbectil (Brandt). У этих крабов, обитающих
в дальневосточных морях, наблюдались в аквариальных и полунатурных условиях характерные звуки: импульсы хруста, скрежетание, щелчки, звонкие импульсы, трели широкого спектра частот. Сигналы различались по длительности от 4 до 300 мс. Общий спектр частот от 50 до 10 240 Гц» [5].
Изучение шумов камчатского краба являлось лишь частью широкомасштабных экспериментов по
изучению шумовых полей гидробионтов, проводимых в 60–70-е годы. В результате проведения систематических обследований биологических полей на Черном море было выявлено наличие регулярного шумоизлучения рыб. Проведенные во ВНИРО исследования показали возможность и эффективность пеленгования морских биошумов. В 1971 г. первый промышленный образец рыбошумопеленгатора (РШП)
«Чайка» устанавливается на гидроакустическом судне «Поиск» и вступает в опытную эксплуатацию.
РШП «Чайка» был предназначен для изучения биоакустических полей различных морских бассейнов и проработки задач, связанных с проблемой использования принципов пассивного пеленгования
с целью поиска объектов морского и океанического промысла: обнаружение и прослушивание шумов
моря, определение направления на шумоизлучающие объекты, определение оптимальных диапазонов
частот для разных промысловых объектов, излучающих шумы, классификация биосигналов на слух.
РШП «Чайка» был рассчитан для установки на научно-исследовательских и научно-промысловых
судах типа БМРТ, СРТМ. РШП «Чайка» обеспечивал одновременный обзор подводных шумов в пределах 360° в режиме «Обзор» и определение угла места в пределах 0–90° вертикальной плоскости в любом из четырех квадрантов. В РШП «Чайка» были применены 4 акустических приемника, ориентированных по направлениям: нос, корма, правый борт, левый борт. Пятый приемник был ориентирован в
сторону дна и предназначался совместно с указанными четырьмя гидрофонами для определения угла
места. Определение пеленга и угла места на источник шумоизлучения осуществлялось со средней погрешностью не более 10° в диапазоне частот 4–30 кГц. Пятиканальная система усиления РШП имела
усиление 80 дБ. Рыбопеленгатор имел также звуковую индикацию. Усилитель прослушивания мог
быть подключен к любому их пяти каналов в двух режимах: без преобразования частоты в диапазоне 0–
30 кГц и с преобразованием частоты в диапазоне 10–30 кГц. Электронная аппаратура РШП «Чайка»
имела шесть рабочих диапазонов частот: обзорный и пять частотных диапазонов, выбранных соответственно частотным спектрам акустически активных морских гидробионтов (табл. 1).
Пеленгование в РШП «Чайка» обеспечивалось в диапазоне от 4 до 30 кГц. Прослушивать биошумы можно было также через глубоководный (до 100 м) гидрофон, входящий в РШП «Чайка». Чувствительность приемников акустической антенны на частоте 4 кГц была не менее 5 (мкВ⋅см2)/дин [8].
Таблица 1
Номер
диапазона
1
2
3
4
5
6
Частота
[кГц]
0,1 – 0,35
0,35 – 2
2–6
2 – 16
16 – 30
0,1 – 30
Объект пеленгования
Рыбы горбылевые и др.
Рыбы лососевые, тунцы
Тунцы, крабы
Крабы, креветки
Креветки, китообразные
Обзорный диапазон
В результате биологических исследований было установлено, что обнаружение промысловых скоплений крабов по издаваемым ими шумам не только принципиально возможно, но и является наиболее
эффективным методом. Однако по ряду объективных причин шумопеленгаторы «Чайка» не получают
дальнейшего развития и на промысловых судах не устанавливаются. И лишь в настоящее время уровень
развития элементной базы, научной мысли и достижения военной гидроакустики создали объективные
предпосылки для разработки отечественного конкурентоспособного шумопеленгатора-крабоискателя.
Предлагаемый шумопеленгатор-крабоискатель имеет оригинальную мультипликативную приемную антенну с веером диаграмм направленности. Использование данного подхода дает возможность
существенно снизить влияние посторонних шумов за счет использования острой диаграммы направленности и обеспечить надежный прием полезного сигнала в заданном диапазоне частот при поисковой скорости до 6 узлов. Использование веера диаграмм направленности, ориентированного в плоскости мидель-шпангоута под углами ±45° от нормали, дает возможность обеспечить значительную
ширину обследуемой полосы (160 м на глубине 60 м). Приемная антенна закрепляется на выносной
штанге в районе форштевня или вдоль борта. Габариты приемной антенны 97,5 × 97,5 см.
В отличие от РШП «Чайка», производительность поиска при использовании данного прибора достигается не за счет увеличения дальности обнаружения объектов при нахождении в дрейфе, а за счет произ94
Вестник Камчатского государственного технического университета
водства измерений на ходу судна. Максимальная поисковая скорость 6 узлов обеспечивает производительность поиска 1,7 км2/час. Пеленгатор прослушивает шумы в узкой зоне под килем судна, это
в значительно повышает достоверность получаемой информации и снижает влияние посторонних акустически активных объектов. Упрощенная блок-схема шумопеленгатора-крабоискателя приведена на рис. 3.
Рис. 3
Приемная антенна состоит из 14 линейных дискретных антенн, ориентированных вдоль диаметральной плоскости судна. Каждая из антенн состоит из 14 гидрофонов и формирует вертикально ориентированную диаграмму направленности. Рассматривая далее каждую из линейных дискретных антенн как чувствительный элемент, получаем приемную антенну из 14 элементов, ориентированную
перпендикулярно диаметральной плоскости судна. Полученные 14 элементов делятся на две группы
(по 7 элементов), на их базе формируются два веера аддитивных характеристик направленности, сигналы с выхода которых перемножаются и усредняются по времени.
Преимущества мультипликативной обработки заключаются в возможности формирования более
острых характеристик направленности (ХН). Временные задержки, необходимые для формирования
разных характеристик направленности, в веере создаются с помощью цифровых регистров сдвига [9].
Полосовой фильтр обеспечивает прием сигнала:
− в широкой полосе частот 0,1–12 кГц – используется для спектральной обработки сигнала в
режиме «Идентификация»;
− в рабочей полосе частот 5–10 кГц – используется для обнаружения сигнала в режиме «Работа».
В режиме «Идентификация» предусмотрено:
95
Промысловая гидроакустика
− автоматический и ручной варианты идентификации принятых акустических сигналов путем
анализа классификационных признаков, сравнения с сигналами из базы данных;
− пополнение базы данных акустических сигналов.
Спектральный анализ сигнала позволяет осуществить видовую и размерную идентификацию обнаруженных объектов с использованием базы данных сигналов биологических объектов в автоматическом или полуавтоматическом режимах.
В режиме «Работа» производится непрерывное отображение акустической активности толщи воды под килем, включая дно в зоне действия приемной антенны на цветном мониторе. Для отображения интенсивности источника звука используются уже привычная по работе с активными промысловыми эхолотами цветовая гамма (от синего к красному). Использование цветного дисплея обеспечивает
наглядность в процессе обследования района поиска и не требует специальной подготовки оператора для
оценки промысловой обстановки, чего не скажешь о режиме «Идентификация». В силу того что сигналы
биологических объектов носят сложный, случайный характер, выполнить распознавание объекта в автоматическом режиме не всегда представляется возможным. Для обеспечения надежной идентификации
обнаруженных объектов в ручном режиме требуется опыт и специальные знания.
Закрепление антенны на выносной штанге обеспечивает возможность установки шумопеленгатора-крабоискателя на любых проектах судов без серьезных конструктивных их доработок. Рассматривается и стационарная подкильная установка приемной антенны.
Наряду с использованием шумопеленгатора-крабоискателя для решения задач промысловой разведки, его использование позволит эффективно решать задачи обнаружения немаркированных (утерянных и браконьерских) крабовых порядков (как целые порядки, так и отдельные ловушки, что для
других средств поиска практически недоступно) по шумовому полю, создаваемому крабами, находящимися в ловушках.
Таким образом, использование шумопеленгатора-крабоискателя позволит:
– значительно повысить производительность поиска промысловых скоплений крабов по сравнению с существующими методами;
– получать данные о распределении краба в районе поиска в реальном масштабе времени;
– исключить гибель самцов непромысловых размеров и самок краба в процессе промысловой
разведки;
– обеспечить эффективный поиск утерянных и немаркированных (браконьерских) крабовых
порядков;
– снизить финансовые затраты и повысить эффективность крабового промысла.
Приведенный в данной статье материал показывает, насколько широк спектр практического
применения акустических технологий для повышения эффективности добычи гидробионтов.
Литература
1. Харичков В.К. К вопросу о добыче краба ловушками // Рыбное хозяйство.– 1969.– № 3.–
С. 43–45.
2. Бахарев С.А., Карлик Я.С., Красников И.В. Гидроакустические средства, обеспечивающие сохранность орудий лова от потерь и хищения // Труды VI Международной конференции «Прикладные
технологии гидроакустики и гидрофизики» (28–31 мая 2002 г., Санкт-Петербург, Россия).– Приложение
к ж-лу «Гидроакустика».– СПб.: ФГУП ЦНИИ «Морфизприбор».– 2002. – С. 321–325.
3. Гидроакустическая система для обеспечения экологической безопасности промысла / Бахарев С.А.,
Бондарь Л.Ф., Норинов Е.Г., Шор Ю.Л. // Рыбное хозяйство. – 2000. – № 5. – С. 35.
4. Толстоганов Л.К., Селютин А.П. Акустическая приманка на крабовом промысле // Рыбное
хозяйство. – 2000. – № 6. – С. 39–40.
5. Шишкова Е.В. Физические основы промысловой гидроакустики.– М.: Пищ. пром-ость, 1977.–
247 с.
6. Исследование биологических шумов моря у берегов Камчатки: Отчет по теме № 21 «Рыба» и
теме 3/10 КО ТИНРО. – Петропавловск-Камчатский, 1970.
7. Шишкова Е.В., Николаев А.С., Сизов И.И. Шумы камчатских крабов // Рыбное хозяйство.–
1971. – № 3. – С. 22–25.
8. Шишкова Е.В. Рыбошумопеленгатор «Чайка» // Рыбное хозяйство.– 1973.– № 12.– С. 34–37.
9. Урик Роберт Дж. Основы гидроакустики / Пер. с англ.– Л.: Судостроение, 1978.– 448 с.
96
Вестник Камчатского государственного технического университета
УДК 639.528
ПРИМЕНЕНИЕ НЕЙРОННЫХ СЕТЕЙ В ЭКСПЕРТНЫХ СИСТЕМАХ ДИАГНОСТИКИ
ОКЕАНИЧЕСКИХ ВОЛНОВОДОВ
Л.Н. Алексейко, Б.А. Сальников,
Н.Б. Минапов, С.А. Сальников (ДВГТУ, г. Владивосток)
В статье изложены результаты численного эксперимента по моделированию распространения
звука в стохастических подводных волноводах. Показано, что с увеличением уровня стохастичности
происходит подавление высокочастотной составляющей в пространственном спектре вертикального разреза акустического поля. Приведен пример использования нейронной сети Кохонена для косвенной классификации гидрологических условий по уровню природной стохастичности.
This paper provides the results of numerical modeling propagation of sound in stochastic underwater waveguide. It is shown, that with increase of stochastic level, suppression of high-frequency part in spatial spectrum of vertical cut of acoustic field occurs. We also provide an example of use Kohonen’s Self Organizing
Feature Map for indirect categorization of hydrological conditions on natural stochastic level.
За многолетнюю историю экспериментальных исследований в океане сложилась устоявшаяся
методология сравнения натурных и численных экспериментов по распространению звука в океанических волноводах, основанная на приближении плоскослоистой среды. Такой подход оправдывал себя,
так как в целом описывал большое количество фундаментальных закономерностей формирования
акустических полей как в мелком море, так и в глубоком (при наличии подводного звукового канала).
Однако по мере углубления знаний о пространственно-временной изменчивости океанографических характеристик различных масштабов, связанных с обнаружением синоптических вихрей, повсеместного существования широкого спектра внутренних волн и тонкоструктурных расслоений водной
толщи пришло понимание о необходимости пересмотра физических и математических моделей расчета акустических полей в океанических волноводах. Существование внутренних волн различных
пространственно-временных масштабов показало доминирующую роль этого явления в мелкомасштабной изменчивости океана. Перемешивание, возникающее при разрушении внутренних волн,
а также чисто кинематический эффект сжатия и растяжения слоев воды в высших модах внутренних
волн способствуют повсеместно наблюдаемому тонкоструктурному расслоению вод океана, обнаружение которого нарушило прежние представления о плавности изменения свойств океана по вертикали: океан оказался скорее дискретным, чем непрерывным образованием. Пересмотр основных положений о механизме формирования структуры океанической среды указывает на необходимость
учета конкретной океанографической «погоды» в отличие от некоторого среднего климатического
состояния. Ранее считалось, что существует устойчивая циркуляция вод океана и устойчивое распределение океанографических характеристик. Временная изменчивость связывалась главным образом с
сезонными и приливными колебаниями, а также с воздействием локальных метеоусловий на верхние
слои океана. Таким образом, предполагалось, что, в отличие от атмосферы, среднее климатическое
состояние вод океана мало отличается от конкретных условий, от конкретной «погоды» в водной
толще, и поэтому измеренные в каком-либо районе океана профили океанографических характеристик, например скорости звука С(z), с точностью до сезонной изменчивости верхних слоев океана
можно уверенно использовать для характеристики гидрологических условий в этом районе в любой
другой момент времени. Стало ясно, что устоявшийся подход, при котором прогноз гидрологоакустических условий в каком-либо районе Мирового океана, сделанный на основании усредненного
исторического массива гидрологических данных или районирования океана по типам вертикальных
разрезов скорости звука (ВРСЗ) – С(z), может оказаться недостаточным [1].
Наличие разномасштабных пространственно-временных вариаций скорости звука различной
природы делает необходимым постоянный контроль за конкретными гидрологическими условиями
в районе проведения акустических экспериментов путем выполнения синхронных гидрологических
съемок (вертикальных разрезов температуры, солености или непосредственно ВРСЗ на фиксированных глубинах) в некоторой более или менее широкой полосе вдоль трасс зондирования. Однако даже
такое кардинальное решение вопроса о гидрологическом обеспечении акустических экспериментов
оказывается неэффективным.
Так, например, в работе [2] показано, что результаты экспериментальных исследований структуры звукового поля в океане заметно отличаются от расчетных. Опыты, проведенные в одном и том же
районе океана с интервалом в три года, дали существенное и практически повторяющееся расхождение данных эксперимента и расчета даже на дистанциях 10 – 30 км. Расчетные модели были выполнены на основе детерминированного подхода, использующего как лучевое, так и широкоугольное
97
Промысловая гидроакустика
параболическое приближение. Обе расчетные модели дают практически одни и те же результаты, не
совпадающие с экспериментально полученными разрезами структуры акустического поля, в частности относительно расположения зон конвергенции и зон тени.
Рассогласование результатов эксперимента и численного моделирования указывает на фундаментальные ограничения возможностей детерминированного подхода к прогнозированию структуры
акустических полей в океанических волноводах. Действительно, так как применимость волнового
уравнения для расчета полей в океане не вызывает сомнений, то можно считать, что полная и приемлемая с научной точки зрения интерпретация результатов измерений представляет собой не что иное,
как исключительно точный, хотя и сложный метод определения характеристик среды, в частности
распределения скорости звука. Следовательно, результаты гидрологической съемки акватории, на
которой проводится акустический эксперимент, не в полной мере отражают те динамические механизмы, которые влияют на структуру поля скорости звука.
Проявление функциональной зависимости скорости звука от факторов различной природы
и масштабов воздействия обуславливает необходимость совместного использования детерминистических и вероятностных подходов при разработке расчетных моделей распространения звука в океане. Основная трудность математического описания таких комбинированных моделей состоит в необходимости совместного рассмотрения регулярных и случайных вариаций скорости звука на трассе
распространения, закон изменения которой в первую очередь зависит от этих вариаций.
Простые теории рассеяния и распространения волн разработаны для регулярных изменений среды. Состояние дел с чисто вероятностными моделями менее определенное. Как правило, такие модели заимствованы из радиофизики, что существенно сужает диапазон их применения, так как в них
отсутствует рефракция в качестве эффекта первого порядка, а также не учитывается волноводный
характер распространения. Эти предположения упрощают математическое описание, но в общем
случае они не применимы к акустическому распространению.
Учет влияния случайных флуктуаций параметров среды на акустические поля сводится к изучению линейных дифференциальных уравнений в частных производных с коэффициентами, представляющими собой случайные функции координат. Наибольшее распространение получили два основных метода. В одном из них, более строгом, сначала точно решают неусредненное уравнение для
поля, например в виде рядов, и представляют решение как известный функционал от случайной переменной. И уже после этого, приняв те или иные допущения, производят усреднение самого поля,
например, чтобы получить аналитическое выражение когерентной составляющей, или произведение
полей, или статистические моменты более высокого порядка.
В менее строгом подходе с самого начала усредняют стохастическое дифференциальное уравнение
для поля. Однако это можно сделать без каких-либо оговорок только по отношению к дифференциальной части уравнения, содержащей постоянные коэффициенты. А при усреднении члена, который содержит произведение статистически связанных между собой поле давления и флуктуирующую составляющую скорости звука C≈, выделение когерентной составляющей невозможно без дополнительных
упрощающих предположений, которые, в свою очередь, могут быть далеко не очевидными [3].
Альтернативным подходом является численное решение с заданным шагом по дальности стохастического полевого уравнения лучевого распространения. Дискретное по глубине и дальности распределение значений коэффициентов полевого уравнения рассчитывается из матрицы значений
флуктуирующей составляющей скорости звука C≈, формируемой программой генератора случайных
чисел по выбранному вероятностному закону. Такой подход приобретает всё большую популярность
в связи увеличивающейся доступностью высокопроизводительных ПЭВМ.
Возможность многократного проведения численного эксперимента со случайно варьируемыми
параметрами среды позволяет накапливать статистические выборки результатов, обработка которых
может дать как численные величины известных эффектов, так и обнаружить неизвестные.
При проведении компьютерного моделирования с использованием случайных значений флуктуирующей составляющей скорости звука, не превышающей наперед заданного максимального значения как в сторону увеличения, так и уменьшения по отношению к фоновой гидрологии, можно получить гораздо больше полезной информации, если не ограничиваться классической постановкой
вероятностной задачи определения математического ожидания и дисперсии, а сформулировать задачу несколько шире, а именно: определить информативные параметры зондирующего поля, наиболее
чувствительные к изменению максимальной амплитуды случайной составляющей скорости звука на
исследуемой акватории, и выявить их функциональные зависимости.
В прикладном плане особая актуальность сформулированной задачи заключается в том, что без
её разрешения принципиально невозможно корректно решить задачу обнаружения локального нарушения структуры фоновой гидрологии исследуемой акватории.
98
Вестник Камчатского государственного технического университета
Ниже приведены результаты расчета структуры акустического поля с использованием стохастичной модели гидрологии подводного волновода.
1
А н ( z) ⋅ Δ z − , %
0,8
A(k)
2,5
м
0,7
2,0
0,6
1,5
0,5
0,4
1,0
0,3
0,2
0,5
0,1
0
250
500
0,15
А н ( z ) ⋅ Δ z −1 , %
750
0,25
0
0,025
0,05
0,075
0,1
0,125
0,15
0,175
0,2
0,225
0,25
0,275
0,3
0,325
0,35
0,375
0,4
0,425
0,45
0,475
0,5
0,0
0
1000 1250 1500 1750 2000
z, м
0,3
0,45
k
0,15
детерм
а)
A(k)
м
0,25
0,3
0,45
детерм
а)
2,5
0,8
2,0
0,7
0,6
1,5
0,5
0,4
1,0
0,3
0,2
0,5
0,1
0,0
0
250
0,5
500
750
0,65
1000
0,7
1250
0,75
1500
1750
0
0,025
0,05
0,075
0,1
0,125
0,15
0,175
0,2
0,225
0,25
0,275
0,3
0,325
0,35
0,375
0,4
0,425
0,45
0,475
0,5
0
2000
z, м
k
0,5
детерм
0,65
0,7
0,75
детерм
б)
Рис. 2 . Модули амплитудно-частотных
характеристик
б)
Рис. 1. Вертикальное распределение
акустического поля
Стохастичность гидрологии моделировалась путем учета пульсирующей составляющей скорости
звука. Для описания неоднородностей скорости звука используется известный способ их параметризации. Участок вертикальной плоскости исследуемого волновода длиной 100 км и глубиной 2 км, содержащий источник на глубине 50 м и приемники, разбит на прямоугольные ячейки длиной 2 000 м
и высотой 100 м. Скорость звука в каждой ячейке определена в виде C(z) = Cоп(z) + C≈(z), где
Cоп(z) – детерминированное вертикальное распределение скорости звука, C≈(z) – знакопеременная
флуктуирующая составляющая скорости звука, которая от максимального значения по модулю в центре ячейки спадает до нуля к ее границам. Источник располагался на глубине 50 м, конус излучения
соответствовал водным лучам для детерминированной гидрологии. Для каждой реализации генератором случайных чисел по центрам ячеек полигона распределялись знакопеременные амплитуды пульсирующей составляющей скорости звука C≈(z), модуль которой не превышал наперед заданного значения. В ходе эксперимента C≈(z) изменялась от 0,25 м/с до 0,75 м/с с дискретностью 0,05 м/с. Для
каждого значения C≈(z) было рассчитано по 4 000 реализаций, по которым определялось среднее значение вертикального распределения акустического поля (ВРАП), сглаженного с дискретностью 50 м.
На рис. 1 приведены ВРАП при различных уровнях стохастичности и для детерминированной модели
гидрологии. По оси ординат отложена нормированная величина акустического поля Ан(z) ⋅ Δz-1 в %/м,
где Δz = 50 м, Ан(z) = [А(Δz ⋅ n)/ n A( Δz ⋅ n) ] ⋅ 100 %, n = 1 ÷ N = 40, А(Δz ⋅ n) – значение акустическо-
∑
го поля в дискретных точках вертикальной оси от 50 м до 2 000 м. Из полученных результатов следует, что при увеличении стохастичности происходит засветка зон тени в сторону более глубоких горизонтов, что неоднократно подтверждалось в реальных экспериментах.
99
Промысловая гидроакустика
E{z0; [ϕ]I}
Океанический волновод
Астох(n)
C(r,z) = Cоп(r, z) + C≈(r, z) + C=(r, z)
а)
Модель океанического волновода
Адет(n)
E{z0; [ϕ]I}
Астох(n)
C≈(r, z)+C=(r, z)
Cоп(r, z)
б)
Рис. 3. Океанического волновода в виде двух фильтров
На рис. 2 приведены модули амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) ВРАП при различных
уровнях стохастичности. АЧХ получены путем дискретного преобразования Фурье от ВРАП: A(k) = mod
FT[A(n)], A(n) ≡ [А(Δz ⋅ n)/ n A(Δz ⋅ n) ] ⋅ Δz-1⋅100 %, k = [0 ÷ N – 1]/N, где k – безразмерная относительная
∑
100
0,5
0,45
0,4
0,35
0,3
0,25
0,2
0,15
0,1
0,05
0
пространственная частота. Как следует из представленных результатов, повышение стохастичности ведет
к подавлению высокочастотных составляющих в пространственном спектре ВРАП.
Используя аналогию между волновыми и колебательными системами, подводный волновод наиболее общим образом можно охарактеризовать при помощи двух последовательно соединенных
фильтров На рис. 3 использованы следующие обозначения: E{z0; [ϕ]I} – функция, описывающая источники излучения; z0, [ϕ]I – глубина погружения и раскрыв диаграммы направленности излучающей
антенны соответственно; Адет(n) – значения акустического поля, рассчитанные в дискретных точках
волновода с использованием детерминированной
модели гидрологии; Астох(n) – измеренные значения h(k)
1,2
акустического поля в тех же точках n или, как в
нашем случае, полученные в результате численно1
го эксперимента. Гидрология волновода описыва0,8
ется в виде C(r,z) = Cоп(r, z) + C≈(r, z) + C=(r, z), где
C(r, z) – истинное распределение скорости звука;
0,6
Cоп(r, z) – опорное (усредненное) распределение
скорости звука, измеренное в результате гидроло0,4
гической съемки акватории или полученное на основании исторического массива гидрологической
0,2
базы данных; C≈(r, z) – стохастическая (случайная)
0
составляющая скорости звука, не поддающаяся из0,0 0,1 0,1 0,2 0,2 0,3 0,3 0,4 0,4 0,5
0
=
5
5
5
5
5
мерению контактными методами; C (r, z) – детерk
0,15
0,25
0,3
0,45
минированная составляющая, в которую входят
а)
погрешности измерения опорной гидрологии, и
h(k)
локальные нарушения опорной гидрологии вы1,2
званные природными или техногенными фактора1
ми. Второй фильтр (рис. 3б) однозначно может
быть описан при помощи передаточных функций,
0,8
определяемых в виде H(k) = FT[Aстох(n)]/FT[Aдет(n)].
На рис. 4 представлены модули передаточной
0,6
функции h(k) = mod H(k) в зависимости от уровня стохастичности. Как следует из приведенных результатов,
0,4
фильтр, формально описывающий стохастичность,
0,2
является низкочастотным, с увеличением уровня стохастичности его полоса пропускания уменьшается.
0
Моделирование реальных океанических волноводов в виде двух последовательно соединенных
k
0,5
0,65
0,7
0,75
фильтров позволяет, используя аппарат передаточб)
ных функций, проводить классификацию акваторий по уровню стохастичности, если вместо значеРис. 4. Модули передаточной функции волновода
Вестник Камчатского государственного технического университета
ний Астох(n) использовать значения акустического поля, измеренные в реальных экспериментах. Вид
модуля передаточной функции характеризует качество априорной информации о гидрологической
ситуации в месте проведения эксперимента, а также правильность выбранной математической модели. При отсутствии стохастичности и правильном выборе математической модели модуль передаточной функции во всей области определения пространственных частот должен быть равен единице.
Прямыми методами уровень стохастичности невозможно измерить в системе единого времени на
всей акватории, где проводится акустический эксперимент, поэтому экспериментально-теоретическая
передаточная функция может косвенно характеризовать уровень стохастичности акватории.
Ниже приводятся результаты использования нейронной сети Кохонена для разбиения результатов численных экспериментов на классы в зависимости от уровня стохастичности. Алгоритм Кохонена в некоторой степени подобен процессам, происходящим в мозге на основе самообучения. В результате работы сети происходит разделение всех входных образцов на некоторое фиксированное
число классов [4]. Для обработки результатов численного эксперимента использовался нейросетевой
модуль системы STATISTICA (StatSoft): STATISTICA Neural Networks.
96
100 100 100 100 100
98 100 98
98 100 100 100
%
64
100
100
100
100
96
90
90
80
70
3 класс
0
50
50
40
30
20
10
0
4
0
0
0
0
0
0
0
2 класс
0
60
0
0
0
0
0
0
0
4
4
2
0
4 класс
0
0
3 класс
0
40
30
3
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0.7
0
0.75
0
0.65
0
0.6
60
0
0.55
0
0.5
36
0.45
70
0.4
80
0
2 класс
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1 класс
10
2
0
0
0.35
2
0.3
20
0.25
%
100 100 100
97 100 100 96
0.15
0.7
0.75
Уровень стохастичности
0.65
0.6
0.55
0.5
0.45
0.4
0.35
0.3
0.25
0.15
0
Уровень стохастичности
а)
1 класс
б)
Рис. 5. Разбиение базы данных ВРАП на классы
В эксперименте 4 000 реализаций для каждого значения C≈(z) преобразовывались в 400 путем усреднения по каждым 10-ти реализациям. Каждая выборка по 400-м реализациям отдельно масштабировались таким образом, что среднее значение выборки оставалось прежним, а коэффициент вариации снижался до 5 %. В результате для обучения сети использовалось 4 800 входных образцов, по 400
для каждого уровня стохастичности. Были получены три различных нейронных сети: для ВРАП,
АЧХ и передаточной функции (ПФ) соответственно.
На рис. 5–7 приведены результаты кластеризации соответствующих баз данных (ВРАП, АЧХ
и ПФ) на три и четыре выходных класса. При разбиении более чем на четыре класса наблюдалось
«размывание» входной базы данных, соответствующей одному уровню стохастичности, по разным
выходным классам. Этот эффект проявляется и в приведенных результатах, но в меньшей степени.
Так, нейросеть для ВРАП с тремя выходными классами 64 % данных для стохастичности C≈(r, z)
= 0,5 м/с отнесла к третьему классу, а 36 % – ко второму (рис.5а). При увеличении выходных классов
до четырех правильность разбиения стала не менее 96 % (рис. 5б). В данном случае увеличение выходных классов приводит к повышению уровня распознаваемости, что нельзя сказать о нейросетях
для АЧХ и ПФ. Сеть для АЧХ с тремя выходными классами 60 % данных для стохастичности C≈(r, z)
= 0,5 м/с отнесла к третьему классу, а 40 % – ко второму (рис. 6а). Увеличение выходных классов до
четырех не привело к улучшению распознаваемости: 75 % данных для стохастичности C≈(r, z) = 0,55 м/с
были отнесены к третьему классу и 25 % – к четвертому, а 60 % данных для стохастичности C≈(r, z) =
0,6 м/с отнесены к четвертому и 40 % – к третьему классу (рис. 6б).
Аналогичная ситуация наблюдается и для нейросети передаточных функций (рис. 7) – увеличение классов не приводит к улучшению распознаваемости.
В целом же алгоритм Кохонена с тремя и четырьмя выходными классами разбивает исходную
базу данных (ВРАП, АЧХ и ПФ) единообразно, но с разной степенью точности. Выбор вида базы
101
Промысловая гидроакустика
данных для классификации фоновой стохастичности с помощью нейросетей зависит от поставленной
задачи. При сравнительном анализе акваторий по уровню стохастичности предпочтительней АЧХ
и ПФ, а при проведении долгосрочных наблюдений на стационарных трассах – ВРАП, т. к. при разбиении базы данных ВРАП на четыре класса эффект «размывания» практически отсутствует
(рис. 5б). Наиболее информативным классификационным признаком стохастичности для нейросети
оказалась глубина проникновения зондирующего излучения в зону тени (см. рис. 1).
98 100
92
99
94
100 100
%
100
98
96
%
95
83
90
100 100 100
73
25
70
0
50
10
0
0
0.15 0.25 0.3
0
0
0
0
0
0
0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6
0
0
2 класс
0
0
0
0.65 0.7
1 класс
10
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1 класс
90
84
80
80
70
70
60
60
2 класс
100 100 100
95
98 100
90
73
0
б)
97 100
100
100
90
80
0
Рис. 6. Разбиение базы данных АЧХ на классы
100 100
90
0
Уров ень стохастичности
%
100
0
0
0.75
100 100 100 100 100 100
%
0
15
20
Уров ень стохастичности
а)
0
30
0.75
3 класс
4
0.7
0
0.65
0
3 класс
0
0.6
0
2
20
0.55
0
2 17
3
0
4 класс
8
0.5
0
0
6
1
0.45
20
0
0
40
0.15
0
30
5
0
0.35
27
40
0
0.3
50
60
40
50
50
40
10
0
0
20
30
0
0
60
40
0.4
60
10
75 60
85
100
80
60
40
70
20
80
90
80
100
97
100
0.25
100
100
0
0.15 0.25 0.3
0
0
0.35 0.4
0
0
0
0
0
0.45 0.5
0
0
0.55 0.6
0
0
0
0.65 0.7
20
2 класс
0
0
1 класс
0
0
30
3 класс
0
0
0
40
27
10
0
0
0
0
0
0
Уров ень ст охастичности
0
2
0
4 класс
5
0
3
0
0
0
0
0.15 0.25 0.3 0.35 0.4
0.75
10
16
0
0
0
0
0.45 0.5
0
0
0
0
0.55 0.6
0
0
0
0
0
0
0.65 0.7
0
3 класс
0
2 класс
0
1 класс
0.75
Уров ень ст охастичности
а)
б)
Рис. 7. Разбиение базы данных ПФ на классы
Литература
1. Андреева И.Б., Бреховских Л.М. Акустика океана // http://www.akin.ru/Spravka/s_ocean.htm.
2. Сравнение экспериментальной структуры звукового поля в глубоком океане с результатами
расчета по лучевой и волновой программам / Авилов К.В., Галкин О.П., Ленец А.Е., Попов О.Е.,
Швачко Л.В. // IX школа-семинар акад. Л.М. Бреховских «Акустика океана», XII сессия РАО. – М.:
Наука, 2002. – С. 37–40.
3. Распространения звука во флуктуирующем океане / Под ред. С. Флатте.– М.: Мир, 1982. – 336 с.
4. Круглов В.В., Борисов В.В. Искусственные нейронные сети. Теория и практика. – М.: Горячая
линия – Телеком, 2002. – 382 с.
102
ISBN 5–328–0033–1
Вестник
Камчатского
КамчатГТУ
государственного
технического
университета
Научный
журнал
Основан в 2002 г.
ВЫПУСК
1
2002
Петропавловск-Камчатский
Вестник
Камчатского
государственного
технического
университета
Верстка Исаков А.Я., Бабух Е.Е.
Оригинал-макет Бабух Е.Е.
Дизайн Исаков А.Я.
Лицензия ИД № 02187 от 30.06.00 г. Подписано в печать 15.11.2002 г.
Формат 61*86/16. Печать офсетная. Гарнитура Times New Roman
Авт. л. 25,17. Уч.-изд. л. 26,06. Усл. печ. л. 25,22
Тираж 120 экз. Заказ № 595
Редакционно-издательский отдел
Камчатского государственного технического университета
Отпечатано полиграфическим участком РИО КамчатГТУ
683003, г. Петропавловск-Камчатский, ул. Ключевская, 35
© КамчатГТУ, 2002
Содержание
Норинов Е.Г.
Статистические модели, используемые при обработке экспериментальных
данных селективности буксируемых орудий лова ...................................................................................... 5
Коваленко М.Н.
Исследование ставного неводного лова лососевых .................................................................................. 12
Резников В.Ю., Проценко И.Г., Бабюк А.В., Бажутин О.Е.,
Горбатюк В.В., Ермаков В.В., Кошкарева Л.А., Фомичев М.В.
Технологии и результаты функционирования информационной
системы мониторинга рыболовства ............................................................................................................ 14
Резников В.Ю.
Использование спутниковой навигации при мониторинге промысловых судов ................................... 19
Богданов В.Д., Зинюк Д.Е.
Липидостабилизирующие композиции в технологии
холодильного консервирования печени тресковых .................................................................................. 26
Дегтярев В.Н.
К расчету конусного ротора центрифуги для подсушки икры ................................................................ 32
Ромейко Л.В.
Двустворчатые зарывающиеся моллюски камчатского
шельфа и перспективы их использования .................................................................................................. 34
Лаптева Е.П.
Обоснование технологических параметров получения коптильной среды ............................................ 44
Клочкова Н.Г., Березовская В.А., Ляндзберг А.Р.
Анализ флоры камчатского побережья методом конкретных флор ........................................................ 48
Абдульманов Х.А., Седымова Е.А.
Влияние фреонов метанового ряда на озоновый слой. О реабилитации фреона 12 .............................. 59
Емельянов В.В.
Методологические аспекты проблемы анализа
социально-экономического развития отрасли .......................................................................................... 64
Дегтярев В.Н., Клиппенштейн Е.В.
Анализ инновационной деятельности на предприятиях
рыбного хозяйства Камчатской области .................................................................................................... 71
Древинг С.Р.
Направления совершенствования системы управления формированием
и использованием резервов развития рыбохозяйственных предприятий ............................................... 74
Карлик Я.С.
Приемные гидроакустические антенны современных стационарных
шумопеленгаторных станций – мощный инструмент мониторинга океана ........................................... 82
Каневский И.Н., Осипов Е.В.
Методика автоматизированного распознавания сигналов крабов .......................................................... 84
Марколия А.И.
Применение рыболокатора для исследования поведения рыб в потоке воды ....................................... 87
Карлик Я.С., Красников И.В.
Новые акустические технологии на службе рыбодобывающего флота .................................................. 90
Алексейко Л.Н., Сальников Б.А., Минапов Н.Б., Сальников С.А.
Применение нейронных сетей в экспертных системах
диагностики океанических волноводов ..................................................................................................... 97
Исаков А.Я.
Моделирование условий возникновения гидродинамической кавитации
в вихревых потоках жидкости ..................................................................................................................
Дуров А.А., Портнягин Н.Н.
Аппаратно-программный комплекс для мониторинга
поверхностных электрических полей ......................................................................................................
Аношин А.В.
Возможность корректировки среднеширотной эмпирической
ионосферой модели по сигналам геостационарных спутников
дифференциальных навигационных систем типа WAAS ......................................................................
Багин Н.В.
Источники информации для решения задачи выбора маневра
судна в сложных навигационных условиях ............................................................................................
Исакова В.В., Исаков А.Я.
Метрологические аспекты распознавания начальных
стадий возникновения конкурентной фазы в жидких средах ...............................................................
Латкин А.С.
Улавливание аэрозолей с целью решения экологических проблем ....................................................
Шулюпин А.Н.
Моделирование течения в пароводяной скважине .................................................................................
Степанов И.И., Степанов В.И.
Некоторые результаты четырехлетнего мониторинга вариаций
объемных деформаций вблизи зоны субдукции в районе Авачинского залива Камчатки ................
Исаев Г.П.
Лазерно-ионное легирование металлов и сплавов .................................................................................
Самойленко Б.И.
Эксперименты по дезинтеграции базальтового расплава ......................................................................
Ляндзберг А.Р.
Сравнение традиционных методов обработки сырья
и конденсационного обогащения геотермальных флюидов ..................................................................
Портнягин Н.Н.
Определение области работоспособности судовых электрических средств
автоматизации методом статистических испытаний .............................................................................
Дядин В.И., Синявин Д.С.
Электродинамическое разделение минералов ........................................................................................
Потапов В.В.
Осаждение кремнезема из гидротермального теплоносителя
с добавлением извести и легкогидролизующихся солей .......................................................................
Озорнина С.П.
Эталонные диатомовые комплексы из позднекайнозойских отложений Корякии .............................
Букай А.В.
Некоторые аспекты изменения климата г. Петропавловска-Камчатского
под влиянием антропогенного фактора ...................................................................................................
Илюшкина Л.М.
Пути оптимизации видимой среды в городских условиях ....................................................................
Кучеренко Л.В., Угрюмова С.Д., Мороз Н.Ю., Воробьева О.Г.
Современное техническое решение проблемы очистки производственных стоков ...........................
Снегур А.С.
Особенности основных методов прагматической оценки
семантической информации .....................................................................................................................
Иваницкая Ж.Ф.
О пользе решения одной задачи механики для преподавания
курса физики в вузе ...................................................................................................................................
Королюк В.П.
Первый герб Приморской области: «предполагаемый» и утвержденный ...........................................
103
111
113
115
117
119
124
130
139
143
145
148
152
156
166
182
184
186
190
202
203