Оптический метод измерения концентрации взвешенных наносов

Актуальность темы

.

Изучение стока речных наносов является одной из основных задач речной гидрометрии, поскольку количество транспортируемых потоком наносов и их режим определяют процессы формирования речного русла. Сведения о них одна из важнейших характеристик гидрологического режима рек. Данные о концентрации взвешенных наносов и их стоке используются при решении множества практических задач, в частности при проектировании водохранилищ и гидротехнических сооружений, экологических и мониторинговых исследованиях.

Однако получение данных о стоке взвешенных наносов затруднено. В настоящее время, на сети гидрометслужбы для измерения концентрации взвешенных наносов используется объемно-весовой метод, основным недостатком которого считаются огромные трудозатраты при подготовке и проведении измерений, а также обработке полученных данных. Кроме того, в связи с увеличением антропогенного воздействия на водные объекты, возникла необходимость в приборах позволяющих проводить экспресс-анализ, в том числе и мутности воды.

Цели работы.

Исследование возможности применения оптического метода для определения концентрации взвешенных наносов. Разработка более совершенного прибора (оптического мутномера) и определение характеристик и оптимальных параметров его для производства измерений с необходимой точностью. Создание методики проведения измерений взвешенных наносов оптическим методом.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие основные задачи:

— выполнен анализ существующих методов измерений;

— исследованы принципы измерения взвешенных наносов оптическим методом (нефелометрический и турбодиметрический) и проведен выбор оптимального метода применительно к задачам гидрометрии;

— создан оптический мутномер, позволяющий с достаточной точностью проводить измерения;

— проведены лабораторные исследования и определены параметры прибора позволяющие проводить измерения с заданной точностью;

— выполнены полевые испытания прибора;

— выполнен анализ полученных результатов.

Методы исследования.

В ходе выполнения работы проведены лабораторные и полевые измерения. Исследованы факторы, влияющие на показания прибора при измерении мутности, определена их значимость. Выполнены сопоставление и анализ данных синхронных измерений мутности воды стандартным (объемно-весовым) и оптическим методами.

Научная новизна.

В процессе решения поставленных задач получены следующие научные результаты:

— разработан новый прибор (оптический мутномер) позволяющий определять концентрацию взвешенных наносов;

— впервые определены оптимальные технические параметры мутномера для измерения концентрации взвешенных наносов с необходимой точностью;

— исследованы основные факторы, влияющие на точность измерения, и определена их значимость;

— разработана методика градуировки прибора и проведения измерений мутномером;

— на основе натурных данных установлены географические зоны применение разработанной методики.

Практическая ценность работы.

Применение мутномера для измерения концентрации взвешенных наносов позволяет существенно сокращает время затрачиваемое на измерения и позволяет выполнять экспресс — измерения мутности воды. Мутномер может быть использован на сети Гидрометслужбы и в ряде проектных организаций.

Апробация работы.

Мутномер, основанный на оптическом принципе измерения концентрации взвешенных наносов, применялся при проведении полевых исследований малых водотоков верховий р. Камы (июнь-июль 2001 г.). Кроме того, в период с 1997 по 2002 г. выполнялись эпизодические измерения концентрации взвешенных наносов на реках Северо-Запада. Анализ результатов измерений показал приемлемую точность получаемых данных и высокую надежность предлагаемого метода измерения концентрации взвешенных наносов.

Основные результаты диссертационной работы докладывались на кафедре гидрометрии и итоговых сессиях Ученого Совета РГГМУ (2001 -2002 г.).

Публикации.

По теме диссертации опубликовано четыре работы.

Результа ты исследований.

Семейство кривых П= f (d).

В результате проведенных измерений на наносах различного гранулометрического состава было построено семейство кривых n=f (d) (рисунки 15 и 16) для светового потока прошедшего через мутную среду и рассеянного на ней.

Прямой свет П= f (d, IIp).

Грунты с наименьшим размером частиц (глины) представлены на рисунке 15 кривыми 1 и 2. Наносы представленные кривыми 3 и 4 имеют больший средний размер частиц (мел и глина с включениями мелкозернистого песка). С увеличением концентрации наносов сила тока на фотоприемнике прямого света падает, т. е. наблюдается обратная зависимость.

Следует отметить, что при использовании наносов созданных искусственным путем с включением песка, даже самого мелкого, погрешность измерений возрастает, из-за несовершенства установки для проведения эксперимента (интенсивное осаждение частиц).

Рассеянный свет П= f (d, Pacc.).

На рисунке 16 для грунтов с наибольшими размерами частиц зависимости представлены кривыми 4 и 3 (глина с мелкозернистым песком и мел соответственно), а для грунтов содержащих средние и мелкие фракции кривыми 1 и 2.

В рассеянном свете с увеличением концентрации наносов сила тока на фотоэлементе увеличивается, т. е. наблюдается прямая зависимость.

Рисунок 15 — Результаты измерений интенсивности поглощенного светового потока в среде с наносами различного гранулометрического состава р, мг/л д.

W S.

3? о.

160 140 120 100 80 60 40 20 0.

4 2.

А.

3 > р /.

И*.

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28.

Показания прибора.

Рисунок 16 — Результаты измерений интенсивности рассеянного светового потока в среде с наносами различного гранулометрического состава С целью определения погрешности измерений нефелометрическим и турбидиметрическим принципами была проведена серия измерений мутности воды, с использованием одного и того же грунта. В результате измерений было установлено, что наблюдается незначительная вариация кривых, как на прямом, так и на рассеянном свете. Результаты измерений представлены на рисунках 17 и 18.

140 р, мг/л J 2Q.

11 100 а 80 н я и.

3 60.

33 о 40.

20 0.

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 ->

Показания прибора.

Рисунок 17 — Результаты измерений турбидиметром.

140 р, мг/л.

120 к Ф100 сг cL 80 н ас 60 я о.

И 40.

20 0.

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 -^ Показания прибора.

Рисунок 18 — Результаты измерений нефелометром.

Контрольные измерения.

Для определения погрешностей прибора на наносах различного гранулометрического состава были проведены следующие исследования. Предварительно были проведены измерения на «опорном» грунте (глине с малым содержанием средних и отсутствии крупных фракций). Затем, добавляя глины более крупного фракционного состава, был получен грунт отличный от «опорного», содержание средних и крупных фракций было больше на 40 — 50%.

Кривые контрольных измерений представлены на рисунках 19 (проходящий свет) и 20 (рассеянный свет).

V.

Л? Jt.

Y р, мг/л к я.

Kj.

О, н X и п X о.

120 100 80 60 40 20 0 V ч.

V.

1 v 1.

8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28.

Показания прибора.

Рисунок 19 — Результаты измерений ослабленного светового потока р, мг/л к я я сЗ О, н? и Я я о W.

120 100 80 60 40 20 0.

1/.

4 /J" г/ W.

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28.

Показания прибора.

Рисунок 20 — Результаты измерений рассеянного светового потока.

Анализ полученных результатов.

Внешние факторы.

В результате проведенных исследований была выявлена значимость влияния некоторых внешних факторов и физических параметров водной среды. Было определено, что турбулентность потока не оказывает влияния на показания прибора. Также, было получено, что температура и цвет воды не оказывает существенного влияния (в пределах погрешности прибора) на точность измерения концентраций. Химический состав водной среды оказался, по предварительным исследованиям, единственным фактором вносящим существенные погрешности в измерения (~20 — 25%).

Внешние факторы, такие как освещенность водного потока и другие, не оказывают какого-либо влияния на точность измерений.

Анализ полученных результатов позволяет сделать вывод о возможности применение прибора, как в стоячей, так и в движущейся воде, в любую погоду и в различных водах.

Зависимость показаний прибора от характера наносов.

Результаты эксперимента с грунтами различного гранулометрического состава представлены на рисунках 15 (проходящий свет) и 16 (рассеянный свет) в виде семейства кривых.

В прямом свете с увеличением мутности показания прибора уменьшаются и при уменьшении диаметра частиц кривая становится более пологой и сдвигается в левую часть рисунка.

В рассеянном свете наблюдается обратная картина.

Принцип нефелометрии дает лучшие результаты при измерении грунтов с различным гранулометрическим составом. Это объясняется тем, что область индикатрисы рассеянного света под углом 90° оказалась более устойчива к вариации функции распределения гранулометрической кривой наносов.

Кривые 2, 3 и 4 практически совпадают по вышеуказанным причинам. Существенное отличие кривой 1 (глина с включениями мелкозернистого песка) от 2, 3 и 4 объясняется несовершенством установки для проведения эксперимента.

Анализ полученных результатов позволяет сделать вывод о том, что в рассеянном свете, с увеличением мутности показания прибора возрастают, а увеличение диаметра частиц приводит к увеличению крутизны кривых.

В результате измерений было выявлена вариация кривых. Под вариацией кривых мы подразумеваем незначительное изменение угла наклона, что объясняется погрешностью измерений.

Контрольные измерения.

В результате проведения серии контрольных измерений на однородном грунте было выявлена незначительная вариация результатов измерений, как в прямом, так и в рассеянном свете. Анализ данных измерений, нанесенных на графики, показал и незначительное изменение угла наклона и вариацию нуля кривых. Результаты измерений и вычислений погрешности представлены в таблицах 5 и 6.

Заключение

.

За период проведения исследований были созданы несколько моделей оптического мутномера и проведен комплекс исследований, как параметров приборов, так и факторов влияющих на точность измерения ими.

На основании данных исследований, и опыта работы с различными моделями оптического мутномера, был создан прибор, наилучшим образом отвечающий требованиям речной гидрометрии.

В результате проведенной работы, включающей аналитические исследования, полевые и лабораторные измерения, можно сделать следующие выводы и предложения:

— разработан новый прибор для полевого экспресс-измерения концентрации взвешенных наносов, основанный на оптическом принципе;

— результаты лабораторных и полевых испытаний, проведенных, в частности, на реках Северо-Запада и Камского бассейна, позволяют рекомендовать прибор для использования его на реках с концентрацией до 250 мг/л и минерализацией до 1 г/л. При этом погрешность измерений не превышает 10−20%;

— то обстоятельство, что значения концентрации наносов 250 мг/л и минерализации речных вод до 1 г/л наблюдаются на большинстве рек России, позволяет рекомендовать разработанный прибор и методику измерений для внедрения на сети Госкомгидромета и ряда проектных организаций, осуществляющих полевые изыскания;

— экономическая эффективность применения мутномера заключается в значительном сокращении времени измерений. Отпадает необходимость подготовки фильтров и их взвешивания, отбора и хранения проб наносов, их последующего фильтрования и взвешивания. Наибольшая эффективность применения достигается при измерении малых концентраций;

— в то же время сохраняются пути совершенствования как самого прибора, так и метода измерения концентрации взвешенных наносов. Так, одним из направлений работ может стать создание прибора и методики позволяющей проводить экспресс-измерения не только концентраций, но и гранулометрического состава взвешенных наносов.