Содержание к диссертации
Введение
1 Общие сведения о стоке взвешенных наносов и методах его измерения 7
1.1 Общие сведения о стоке взвешенных наносов 7
1.2 Механизм взвешивания речных наносов 8
1.3 Методы измерения взвешенных наносов 11
1.4 Обзор прежних исследований 17
1.5 Распределение средней мутности рек по территории России 19
2 Оптический метод: теоретическое обоснование и принципы реализации 27
2.1 Рассеяние света в мутной среде 27
2.2 Дифракция электромагнитного излучения на сфере (Теория Ми) 28
2.3 Принципы измерения взвешенных наносов основанные на оптическом методе 31
2.4 Основные источники погрешностей фотоэлектрических приборов 41
3 Применение оптического метода в гидрометеорологических исследованиях 46
3.1 Оптический метод в океанологии и метеорологии 46
3.2 Общий подход к измерению концентрации взвешенных наносов оптическим методом в гидрометрии 49
4 Апробация оптического метода измерения взвешенных наносов 58
4.1 Предварительные исследование 58
4.2 Детальные исследования оптического метода применительно к задачам гидрометрии 68
4.3 Гидрохимическая характеристика рек на территории России 82
4.4 Исследования возможности применения оптического мутномера в водах различного химического типа 87
4.5 Исследование влияния органических веществ на оптические измерения 90
5 Методика проведения измерений концентрации взвешенных наносов оптическим методом 95
5.1 Рекомендуемая модель мутномера 95
5.2 Результаты анализа данных полученных объемно-весовым и оптическим методами 97
5.3 Область применения оптического метода 99
5.4 Методика градуировки мутномера 102
5.5 Методика проведения измерений 105
Заключение 108
Список использованных источников 110
- Механизм взвешивания речных наносов
- Общий подход к измерению концентрации взвешенных наносов оптическим методом в гидрометрии
- Гидрохимическая характеристика рек на территории России
- Методика проведения измерений
Механизм взвешивания речных наносов
Твердая частица, обладающая большим удельным весом, чем вода, попадая в неподвижную воду, начинает опускаться. Скорость ее падения сначала возрастает, а затем остается постоянной. В этом случае действующие на твердую частицу сила тяжести и сила динамического сопротивления уравновешиваются.
При падении частиц малых диаметров (d=s0.15 мм) их обтекание носит ламинарный характер. Сила сопротивления, в этом случае, обусловлена вязкостью воды. Математическое выражение гидравлической крупности при обтекании малой частицы шарообразной формы выводится из закона Стокса и имеет вид: где и кл g d Рн D гидравлическая крупность, см/с; коэффициент зависящий от формы частицы; ускорение свободного падения, м/с2; диаметр частицы, см; плотность наносов, г/см ; плотность воды, г/смЗ; коэффициент динамической вязкости, г/(см с). с возрастанием диаметра частиц от 0.15 до 2.0 мм ламинарный характер обтекания сменяется на турбулентный, при котором сила сопротивления уже не зависит от вязкости воды. Гидравлическая крупность для этого случая может быть определена по формуле где к„ - коэффициент турбулентности, зависящий от формы частиц.
В реках обычно наблюдается турбулентный характер течения, поэтому твердые частицы могут находиться во взвешенном состоянии, когда вертикальная составляющая скорости течения потока превышает гидравлическую крупность частиц. Такое положение создается в турбулентном потоке под воздействием гидродинамических сил, возникающих при несимметричном обтекании потоком частиц, лежащих на дне русла.
Гидродинамическое воздействие придонных струй на частицу, находящуюся на дне потока, выражается двумя силами: лобовым давлением, направленным вдоль потока, и подъемной силой, действующий вверх по нормали к направлению течения. Возникновение подъемной силы связано с несимметричным обтеканием частицы, когда скорость течения над ее верхней поверхностью больше, чем у нижней. Вследствие этой разницы, обусловленной большими градиентами скорости в придонном слое, на верхней поверхности частицы создается зона пониженного давления и частица под действием большего давления снизу как бы выталкивается вверх. Уравнение равновесия шарообразной частицы, лежащей на дне, имеет вид:
Расписав действующие силы и сократив на тгсШ, можно представить уравнение (1.3) в виде где к и ki - коэффициенты, зависящие от формы частиц; v - придонная скорость, м/с. Это равенство соблюдается при некотором определенном значении придонной скорости, при котором частица лежит неподвижно на дне. С возрастанием придонной скорости происходит увеличение силы сдвига и подъемной силы, которые становятся больше силы сопротивления, и частица начинает перекатываться по дну. В дальнейшем, при увеличении придонной скорости наступает момент, когда вес частицы в воде будет равен подъемной силе и частица станет как бы невесомой, после чего она начинает подниматься вверх. После отрыва от дна и поднятия на небольшую высоту частица обтекается со всех сторон потоком вследствие чего подъемная сила исчезает и частица должна опускаться на дно под действием силы тяжести, если другие причины не вызовут ее дальнейший подъем. Такой причиной является наличие вихревых возмущений в турбулентном потоке, возникающих при обтекании потоком выступов дна и берегов.
После выхода частицы за пределы придонного слоя, дальнейшие ее перемещения зависит от попадания в ту или иную часть вихревых образований. Только в случае попадания частицы в тыловую часть вихря основной части потока она будет перемещаться вверх. Во всех других случаях частица будет направляться ко дну потока. Поскольку в разных точках потока вертикальная компонента скорости изменяется по значению и направлению, то частица, увлекаемая потоком вниз по течению, будет совершать волнообразные движения в толще потока. В отдельные моменты она может оказаться на дне, а затем снова находиться во взвешенном состоянии.
Общий подход к измерению концентрации взвешенных наносов оптическим методом в гидрометрии
Анализ предварительных результатов исследований позволил сделать вывод о том, что вопрос необходимо рассматривать с более общих, фундаментальных позиций, т.е. использовать не только собственные результаты, но и результаты исследований из смежных областей знаний, в частности из теории рассеяния света на малых частицах и оптики океана [13, 14, 32].
Поскольку сама по себе теория очень сложна и плохо поддается сжатому математическому изложению [13, 32], приведем только основные положения и выводы теории.
Известно, что распространение электромагнитного излучения в среде, в общем виде, описывается уравнениями Максвелла, Если принять сферическую идеализацию взвешенных в воде частиц, то распространение света, в интересующей нас среде будет аналогично известной в электродинамике задаче о дифракции электромагнитных волн на сфере. Дифракционная задача является прямой задачей рассеяния света, т.е. нам известен вид уравнения с точностью до параметров, решением которого является пространственное распределение интенсивности рассеянного сферой света. Параметрами этого уравнения являются электромагнитные свойства среды и включений, такие как: коэффициенты преломления и электропроводности, диэлектрическая проницаемость и геометрические размеры частиц.
Измерив же пространственное распределение интенсивности рассеянного излучения, и зная структуру уравнений, описывающих процессы рассеяния, можно поставить обратную задачу, результатом решения которой будет нахождение ряда параметров, в данном случае размеров и концентрации частиц. Впервые прямая задача рассеяния, в общем виде, была решена в 19 в. немецким физиком Г. Ми [33] и развита впоследствии К.С. Шифриным, Г. ван де Хюлстом и др. Они рассматривали решения уравнений Максвелла в сферических координатах. Для получения решения исследователи вводили специальные функции, в виде комбинации которых были получены решения. Этими функциями являются полиномы Лежандра и цилиндрические функции [13,14].
Развитие метода, применительно к задачам гидрометрии, должно быть реализовано следующим способом. Из теории известно, что интенсивность рассеянного света на частицах различного диаметра определяется индикатрисой рассеяния. Вид индикатрисы зависит от диаметра частиц и от длины волны светового потока.
На рисунках 7 - 9 в полярных координатах представлены индикатрисы рассеянного света сферическими частицами различного диаметра, при постоянной длине волны. Эти индикатрисы рассеяния были рассчитаны рядом авторов, в том числе К.С. Шифриным, В.В. Шулейкиным и другими, и приводятся в различных научных трудах [14,34], исходя из полных уравнений рассеяния. Приведем здесь только упрощенное уравнение для индикатрисы, которое имеет вид
Как видно на рисунках, индикатриса рассеянного света при диаметрах частиц меньше длины волны (Рэлеевское рассеяние) носит симметричный характер.
При увеличении диаметра частиц индикатриса становится более сложной, и основная часть энергии излучения рассеивается по направления светового потока. Поскольку очевидно влияние диаметра частиц на поле рассеяния света, следовательно, измеряя последнее можно найти их геометрические размеры. Эти предпосылки относятся к отдельной рассеивающей частице, но поскольку в потоке находятся взвеси, разнородные по гранулометрическому составу и физическим свойствам, то задача при такой постановке может быть решена следующим образом. Было выдвинуто предположение о том, что индикатриса рассеянного света наиболее устойчива к вариациям гранулометрического состава частиц под неизвестным углом р. В первом приближении мы определили этот угол аналитическим способом. Для этого, используя упрощенную формулу 3.44, предложенную К.С. Шифриным, было рассчитано несколько индикатрис рассеянного света для частиц различного диаметра и выполнен анализ полученных данных. Полученные индикатрисы представлены на рисунке 10.
Анализ полученных результатов показывает, что такой угол (3 находится в интервале 35-50 о, но поскольку рассматривается композиция частиц, т.е. взвеси с различным гранулометрическим составом, задача была исследована применительно к реально существующим распределениям частиц по размерам.
Исследования в других областях гидрометеорологии, также определенным образом подтверждают полученные выводы. Так, нефелометрический метод определения общего показателя рассеяния достаточно хорошо исследован для атмосферы. Показано, что для широкого интервала дальностей видимости (от 0.2 до 220 км) наименьшая ошибка получается, если использовать для измерений угол 45 [35]. Предпринимались попытки использовать нефелометрический метод и для морской воды [36]. Д. Тайлер [37] обнаружил, что коэффициент корреляции между показателем рассеяния Р(у) под углом 4 и общим показателем рассеяния равен 0.999, но этот результат получен на основе ограниченного числа данных и относится к искусственно приготовленным гидрозолям.
Поэтому нами были рассмотрены следующие направления исследований: выполнен анализ характеристик гранулометрических кривых взвешенных наносов нескольких рек Северо-Западного региона, и подобран для них 2-х параметрический закон распределения. Зная параметры закона распределения взвешенных наносов реки, можно в первом приближении выполнить оценку точности получаемых данных при измерении концентрации взвешенных наносов фотоэлектрическим (оптическим) методом с помощью математического моделирования. Для иллюстрации этого было просчитано, как будет варьировать измеряемый информативный параметр (интенсивность излучения) при фиксированном среднем диаметре и среднеквадратичном отклонении при различных законах распределения частиц по диаметру в (Рэлеевской области).
В таблице 1 приведены параметры распределения (средний диаметр и среднеквадратичное отклонение) при которых были рассчитаны интенсивности излучения.
Из анализа полученных результатов можно сделать вывод, что тип распределения не оказывает существенного воздействия на интенсивность рассеяния (2-х параметрические распределения).
Кроме того, для выявления влияний диапазона частиц и их среднего диаметра на форму индикатрисы, были проведены расчеты индикатрисы рассеяния, при нормальном законе распределения.
На рисунке 11 представлены индикатрисы рассеяния, рассчитанные по формуле 3.44 при различных вариациях параметров ст и dcp. Для наглядности на рисунке 12 представлены виды распределения порождающие эти индикатрисы. Причем, распределение 1 является «базовым». В распределении 2 - средний диаметр увеличен на 0.05, в распределении 3 - диапазон частиц увеличен на 10 %, относительно распределения 1.
Гидрохимическая характеристика рек на территории России
Ионный состав речных вод на территории России весьма разнообразен, поскольку он формируется под воздействием многих физико-географических факторов.
Изменение минерализации и состава речных вод носит сезонный характер, что обусловлено изменением в течение всего года роли различных видов питания рек. При увеличении поверхностного стока минерализация речных вод уменьшается, а при его уменьшении и увеличении грунтового питания она возрастает. Поэтому во время половодий и паводков минерализация оказывается минимальной, а в период зимней и летней межени достигает наибольших значений. Распределение ионного состава речных вод по отдельным бассейнам на территории России для периода летней межени представлено на гидрохимической карте (рисунок 34).
Эта карта была составлена на основе проведенного анализа данных на гидрохимических картах рек бывшего СССР, составленных различными авторами [41 - 47], и незначительного уточнения по данным наблюдений за последний период.
Рассмотрим распределение минерализации и гидрохимического состава в меженный период рек России.
Европейская территория России
Бассейны рек впадающих в Балтийское, Баренцево и Белое моря, находятся в области избыточного увлажнения и относятся главным образом к одному климатическому типу - преимущественно снегового питания с весенним половодьем. Формирование химического состава поверхностных вод этой территории происходит в условиях, когда ни грунтовые воды, относящиеся к зоне пресных вод и характеризующиеся небольшой минерализацией, ни почвенный покров, представленный преимущественно почвами таежно-лесной, арктической и субарктической зон, не способствуют появлению в водах большого количества растворенных веществ.
Минерализация и химический состав воды рек бассейнов Белого и Баренцева морей в меженный период определяются такими особенностями, как повсеместное распространение толщ известняков, мергелей и доломитов, заболоченностью территории водосборов и др. Минерализация воды достигает здесь от 150 до 200 мг/л, а иногда более. Ионный состав поверхностных вод в меженный период однороден и характеризуется повсеместным преобладанием гидрокарбонатных ионов. Воды с преобладанием сульфатных ионов распространены только в районах развития карста, их минерализация не превышает 300 - 500 мг/л.
Воды рек Балтийского моря характеризуются в основном малой, а иногда средней минерализацией, и преобладанием гидрокарбонатных ионов. Грунтовые воды в этом районе отличаются высокой концентрацией гидрокарбонатных и кальциевых ионов, наличием кремнезема и большим содержанием органических веществ. В период наименьших расходов минерализация поверхностных вод не превышает 100 - 200 мг/л. Воды рек впадающих в Черное, Азовское и Каспийское моря обладают большим диапазоном колебаний минерализации и пестрым химическим составом, по сравнению с северными реками.
В меженный период минерализация поверхностных вод в бассейне Азовского и Черного морей изменяется от 200 мг/л в верховьях рек до 2500 мг/л и более в устьевых областях. Увеличение минерализации происходит плавно с севера на юг в полном соответствии с изменением климатических условий, состава и свойств грунтовых вод и почвенного покрова. Происходит постепенная смена пресных и слабозасоленных сульфатно-содовых грунтовых вод на засоленные хлоридные. Почвенный покров изменяется от почв таежно-лесной зоны в верховьях рек к почвам лесостепной и степной зоны, богатых легкорастворимыми веществами. Кроме того, увеличение минерализации и смена гидрокарбонатного состава поверхностных вод на сульфатный и хлоридный с севера на юг и северо-запада на юго-восток происходит в связи с возрастанием в этом направлении континентальности климата.
Реки бассейна Каспийского моря пересекают несколько климатических зон. Так, бассейн р. Волги исключительно разнообразен по физико-географическим условиям: тайга и смешанные леса на севере, лесостепь и степь в центре, полупустыня на юге. Поэтому водный и гидрохимический режим ее притоков, удаленных на значительное расстояние, различен. С северо-запада на юго-восток увеличивается в годовом стоке значение снегового питания и весеннего половодья. С севера на юг происходит постепенная смена состава грунтовых вод от зоны гидрокарбонатно-кальциевых вод к зоне пресных и слабозасоленных сульфатно-содовых вод и далее к зоне хлоридно-сульфатных и хлоридных засоленных вод.
Кавказ
Реки Кавказа принадлежат к бассейнам Каспийского и Черного морей. Распределение годового стока на территории Кавказа в целом соответствует распределению годовых сумм атмосферных осадков. Сток возрастает в направлении с востока на запад и по мере увеличения высоты местности. На формирование химического состава поверхностных вод этого района большое влияние оказывает почвенный покров, который подчиняется законам высотной зональности.
Поверхностные воды Кавказа характеризуются слабо выраженным преобладанием в ионном составе гидрокарбонатных ионов. Минерализация вод изменяется в пределах 200 - 500 мг/л.
Урал, Сибирь и Дальний Восток
Бассейн Карского моря включает бассейны двух крупнейших рек России - Оби и Енисея. В гидрохимическом отношении эти бассейны различаются не существенно.
Бассейн р. Оби расположен на территории со значительной увлажненностью, сильной заболоченностью, распространением торфянисто-болотных и подзолистых почв, воды рек этого района характеризуются в основном незначительной минерализацией (от 100 до 150 мг/л) и преобладанием гидрокарбонатных ионов.
Бассейн Енисея, за исключением левобережья верхнего и среднего течения, расположен в зоне многолетней мерзлоты, что способствует формированию маломинерализованных гидрокарбонатных вод.
Бассейн моря Лаптевых характеризуется повсеместным распространением многолетней мерзлоты, обедненной растворимыми солями почв. Вследствие этого воды района за редким исключением маломинерализованные. Ионный состав в течение всего года характеризуется главным образом преобладанием гидрокарбонатных ионов. Однако, в бассейне р. Лены выделяются аномальные районы, поверхностные воды которых имеют повышенную минерализацию (до 1000 мг/л) и отличаются преобладанием в ионном составе сульфатных или хлоридных ионов.
Районы Восточно-Сибирского, Чукотского морей и Тихого океана также характеризуются повсеместным распространением многолетней мерзлоты, развитием тундровых, подзолистых, торфянисто-болотных почв, Поверхностные воды этой территории имеют невысокую минерализацию от 100 до 150 мг/л. В ионном составе повсеместно выражено преобладание гидрокарбонатных ионов.
Большинство рек принадлежат к гидрокарбонатному классу (см. рисунка 34). Причем, наиболее распространены воды малой минерализации. Площадь, занимаемая бассейнами рек с водами гидрокарбонатного класса, составляет около 90 % территории России.
Методика проведения измерений
Общие положения по проведению измерений взвещенных наносов оптическим методом аналогичны приведенным в восьмой главе "Наставления..." [38].
При проведении измерений концентрации взвешенных наносов оптическим мутномером, помимо диапазона предполагаемых измерений, необходимо также иметь данные о величине минерализации вод объекта.
При величине минерализации вод объекта не превышающей 1 г/л, измерения концентрации взвешенных наносов и обработка полученных данных выполняются по методике описанной ниже.
Точки измерений концентрации взвешенных наносов, при определении их стока, назначаются в зависимости от способа измерения скорости потока [2,38]. В целях повышения точности определения стока взвешенных наносов, рекомендуется измерения мутномером проводить синхронно с измерением скорости потока и на тех же глубинах.
В каждой точке измерения следует проводить не менее 3-х раз с интервалом дискретизации 30 секунд. По результатам измерений определяется среднее значение которое записываются в таблицу следующей формы:
Показания прибора записываются с точностью до 1-го знака после запятой.
Данные измерений (показания прибора) по градуировачному графику или таблице переводятся в концентрации взвешенных наносов. Вычисление расхода взвешенных наносов проводятся согласно положениям 8.2.6. [38].
Малая минерализация речных вод не вносит погрешность в показания прибора, поэтому поправка на минерализацию речных вод не вводится.
Погрешность измерения концентрации взвешенных наносов оптическим мутномером по данной методике при концентрациях до 100 мг/л и от 100 до 250 мг/л составляет от 10 до 15% и от 20 до 30% соответственно (п. 4.1).
На водотоках с минерализацией свыше 1 г/л, при определении концентрации взвешенных наносов оптическим методом, вводится аддитивная поправка на показания прибора. Для этого необходимо, помимо производства измерения мутномером, выполнить отбор пробы воды для химического анализа. По результатам анализа выполняется корректировка показаний прибора. На рисунке 39 приведен поправочный график к показаниям мутномера.
Таким образом, зная минерализацию речных вод, можно получить поправку на минерализацию к показанию мутномера. Истинное значение концентрации взвешенных наносов определяем по формуле: где Пист. - истинное значение; Пизм. - измеренное показание прибора; R - поправка на минерализацию.
Рекомендации по производству и обработке данных измерений аналогичны вышеприведенным.
Погрешность измерения концентрации взвешенных наносов по приведенной методике, при данных параметрах, составляет 10-30 %.
Применение оптического мутномера для вод с минерализацией от 5 до 50 г/л возможно, но нецелесообразно, так как погрешность измерения возрастает до 50 % и выше (п.4.4).
