Расход и сток растворенных веществ

При изучении режима наносов и растворенных веществ изме­ряют мутность и ее изменение в пространстве и во времени, зерно­вой состав влекомых наносов и количество растворенных веществ.

Одним из методов определения мутности является отбор проб воды с последующим фильтрованием и измерением массы сухого осадка на фильтре. Могут измеряться мгновенные и осредненные по времени значения мутности, что обычно практикуется при сроч­ных наблюдениях на речных гидрометрических станциях и постах. При научных исследованиях на море мгновенные значения мутности измеряют при взятии проб воды.

Для отбора проб воды с целью измерения мутности, содержания растворенных веществ и т. д. применяют специальные приборы — батометры. При измерении мгновенной мутности в реках использу­ют батометр Н. Н. Жуковского, представляющий собой цилиндр с двумя крышками на пружинах. Батометр с открытыми крышками опускают в заданную точку потока и устанавливают горизонтально и параллельно направлению течения. По команде наблюдателя крышки захлопывают, и батометр извлекают из воды.

Для определения средней мутности в заданной точке потока ис­пользуют батометры длительного наполнения: батометры-бутылки и вакуумные батометры. В первом случае это широкогорлые литро­вые бутылки, в пробку которых вставлены две трубки: одна — для забора воды, направленная навстречу течению, вторая — для отво­да воздуха, изогнутая по течению.

Вакуумный батометр основан на принципе всасывания воды че­рез заборный наконечник с помощью насоса. Наконечник прикреп­ляют к грузу и опускают в поток в заданную точку открытым кон­цом навстречу течению. Через соединительную трубку вода посту­пает в вакуумную камеру, где поддерживается постоянный вакуум, обеспечивающий равенство скорости всасывания воды с местной скоростью течения. Объем камеры может быть 1,3 и 6 л. Взятую пробу можно фильтровать непосредственно из камеры, соединив ее с фильтровальной установкой и создавая в камере избыточное дав­ление (не более 0,981 Па).

При измерении расхода взвешенных наносов берут пробы на мутность на скоростных вертикалях, единичные пробы для установ­ления связи мутности единичной пробы со средней мутностью реки и пробы для определения зернового состава наносов. Пробы на мутность для определения расхода берут точечным, суммарным и интеграционным способами.

При точечном способе пробы отбирают в отдельных точках на скоростных вертикалях, причем число точек изменяется от 5 до 1 с уменьшением глубины на вертикалях.

При мутности реки менее 50 г/м³ можно применить суммарный способ — пробы, взятые в двух точках на каждой вертикали (на 0,2d и 0,8d), сливаются вместе и определяется средняя мутность. Если мутность реки менее 20 г/м³, то пробы сливаются со всех то­чек живого сечения, и определяется средняя мутность реки.

Интеграционный способ заключается в том, что проба воды за­бирается при равномерном перемещении батометра вниз и вверх по вертикали. При этом мутность усредняется по вертикали. Спо­соб рекомендуется использовать при неустановившемся движении, когда требуется быстро определить мутность на вертикали. При мутности реки менее 20 г/м³ пробы со всех вертикалей сливаются вместе, и определяется средняя мутность реки. Мутность (кг/м³) проб вычисляют по формуле

где m_all—масса наносов в пробе, кг; V — объем пробы, м³.

Расход взвешенных наносов вычисляется по данным измерений мутности графическим или аналитическим способом.

При графическом способе строят эпюры мутности на вертика­лях, вычисляют единичные расходы наносов в точках измерения мутности и скорости, строят эпюры единичных расходов наносов и вычисляют элементарные расходы на вертикалях, по которым вы­черчивают кривую изменения элементарных расходов наносов по ширине реки. Площадь между этой кривой и поверхностью воды численно определяет общий расход наносов R (кг/с).

Аналитический метод определения расхода применяют при из­мерении мутности в двух и в одной точке по вертикали; при измере­нии расхода в пяти точках аналитический метод дает меньшую точ­ность, чем графический.

Сток взвешенных наносов находят либо, исходя из зависимости средней мутности S от местной мутности Si, либо исходя из зави­симости расхода наносов R от расхода воды Q. В первом случае строят график Si=f1(T) и сопоставляют с гидрографом Q=f2{T), где Т — время. Точки с резким отклонением от общей закономерности S_i=fi(r) исключают. По графику Si=f3(S) нахо­дят ежедневные S и R — SQ и строят график R=f4(T) —гидрограф взвешенных наносов. Площадь, ограниченная этой кривой, числен­но равна стоку взвешенных наносов W_all за определенный период времени.

Если связь S=f5(S) неоднозначна, то используют связь R и Q. Определив R—f_&(Q) по ежедневным Q, находят ежедневные R и подсчитывают сток W_aii аналогично расчету стока воды.

При измерении концентрации взвешенных наносов в морских , условиях, а также в водохранилищах и озерах для отбора проб воды используют батометры мгновенного действия (см. ниже) и вакуумные батометры. Принципиальное отличие первых от ва­куумных батометров, описанных выше, заключается в том, что за­борный наконечник выполнен в виде двух горизонтальных пластин с зазором между ними. Это обусловлено знакопеременной скоро­стью движения жидкости при волнении. Кроме того, скорость всасывания принимается в З...3,5 раза меньше скорости жидкости. Это объясняется инерционностью взвешенных частиц, что проявляется при их колебательном движении. Опыт работ по определению мут­ности воды при волнении показал, что осреднение пробы взвешен­ных насосов реализуется за время, равное примерно 100... 120 сред­ним периодам волнения. При этом работа с батометрами осложня­ется, особенно с батометрами мгновенного наполнения (большое число подъемов в одной точке).

Расход донных наносов в реке измеряют донными батометра­ми, которые представляют собой различной конструкции сетки или ящики с двумя открывающимися стенками, устанавливаемые на дне потока. Расход донных наносов измеряют на тех же вертика­лях, на которых определяют скорости и расход взвешенных нано­сов. В год производят не менее 10 измерений, большинство из них в период паводков и половодья.

При наличии на дне грядовых форм донные батометры следует устанавливать на верхнем (пологом) скате вблизи гребня гряды.

Батометры выдерживаются в потоке определенное время, затем извлекаются из потока. Массу наносов и элементарный расход на­носов для каждой вертикали определяют по формуле:

где m_аll,i — масса наносов, кг; Т — время выдерживания батометра на дне, с; / — ширина входного отверстия батометра, м.

Полный расход донных наносов (кг/с) определяют по формуле:

где r,-— элементарные расходы наносов на вертикали, кг/(м-с); b1, b2,..._tbn-i — расстояние между вертикалями; b₀, b_п — расстояние от крайних вертикалей до границ движения наносов (обычно вбли­зи уреза движения донных наносов не наблюдается).

Для вычисления стока наносов определяют связь между расхо­дом донных наносов и расходом воды R=f(Q) и по ежедневным расходам Q определяют ежедневные расходы R и подсчитывают сток наносов за определенный период времени, например за год.

Наиболее достоверное представление о расходе донных нано­сов в береговой зоне морей, озер и водохранилищ можно получить в результате систематических промеров и сопоставления между со­бой построенных профилей пляжа — надводного и подводного, рас­сматриваемых в хронологическом порядке.

Для измерения количества растворенных веществ в воде отби­рают специальные пробы. В реках ввиду интенсивного турбулент­ного перемешивания растворенные вещества распределены по се­чению реки достаточно равномерно. Поэтому пробы воды берут только с поверхности воды специальным мерным ведром, ополас­кивая его 2...3 раза перед взятием пробы. В морях, озерах и водо­хранилищах пробы воды берут как с поверхности, так и с различ­ных горизонтов. Для отбора проб воды в озерах, водохранилищах и в береговой зоне моря могут быть использованы батометр И. В. Молчанова и опрокидывающийся морской бато­метр БМ-48 *, который получил наибольшее распространение в практике морских гидрометрических работ.

Пробы, отобранные в реке, отправляют в лабораторию, где про­водят полный химический анализ воды. Определяют содержание катионов (Са+, Mg²+, N+, К⁺) и анионов (НСОз^-, S0₄²~,C1-, N0₃-, NO2^-), сумму ионов и все виды щелочности.

Массу растворенных веществ (сухого остатка) в единице объ­ема называют минерализацией воды а (кг/м³) и вычисляют по формуле

где mdr.r — масса сухого остатка, кг; V — объем пробы, м³. Расход растворенных веществ

Ежедневные расходы растворенных веществ определяют по еже­дневным расходам воды и значениям минерализации воды, вычисленным методом интерполяции. По ежедневным расходам находят средний годовой расход Q_s,i растворенных веществ и их сток W_rs (кг/год) :

При необходимости таким же путем подсчитывают сток отдель­ных ионов. Количество растворенных неорганических веществ в морской воде (соленость) определяют по содержанию хлора тит­рованием, по плотности и электропроводности воды.

Метод титрования излагается в курсе химии, а также подробно в специальной литературе. В полевых условиях получили большее распространение два последних метода.

Для определения удельного веса морской воды используют ареометры постоянной массы. Сначала поисковым ареометром из­меряют плотность для выбора рабочего ареометра из набора, затем температуру воды и только после этого приступают к измерению плотности рабочим ареометром. Отсчет производят с точностью до половины деления шкалы, т. е. до 0,00005. Затем производят вто­рой отсчет по ареометру и снова измеряют температуру.

Вводятся инструментальные поправки в отсчеты по термометру и ареометру. Исправленные показания ареометра приводят к тем­пературе 17,5°С. Зная плотность воды p17,5, соленость воды опре­деляют по таблицам.

Измерение электропроводности воды может быть осуществлено тремя способами: емкостным (при 5<1%), кондуктометрическим и индуктивным. Для измерения электропроводности индуктивным ме­тодом создан специальный прибор — солемер, который может ис­пользоваться как в лабораторных, так и в полевых условиях. Проба воды вакуумным насосом забирается в датчик — сосуд из органи­ческого стекла объемом 90 см³, в котором установлены тороидаль­ные трансформаторы, являющиеся чувствительными элементами для определения электропроводности воды. Датчик с пробой воды выдерживают определенное время вблизи солемера для выравни­вания температур. Прибор перед началом измерений, тарируется. Точность определения солености солемером составляет 0,01...0,02%. По данным измерения солености на гидрологическом разрезе стро­ят графики вертикального распределения и карты пространствен­ного распределения для каждого горизонта наблюдений в отдель­ности, начиная с поверхности, в виде линий равной солености (изогалин).

СЛОВАРЬ ПОНЯТИЙ:

Речные наносы- твердые минеральные частицы вне зависимости от крупности, которые переносятся русловым по­током и при определенных условиях образуют русловые и поймен­ные отложения.

Взвешенные наносы- совокупность частиц грунта, обычно наиболее мелких (илистых частиц, мелкого песка), которые,

оторвавшись от дна под воздействием скорости течения воды, находятся во взвешенном состоянии достаточно длительное время.

Донные наносы- совокупность частиц, как прави­ло, наиболее крупных (крупный песок, гравий, галька), которые в процессе своего движения под воздействием потока воды не от­рываются от дна или отрываются на очень короткое время.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Быков В.Д., Васильев А.В. Гидрометрия . Л., 1972

2. Гришин М. М. Гидротехнические сооружения. М., 1979. Ч. 1 и 2.