Оптический метод измерения концентрации взвешенных наносов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.27, кандидат географических наук Тихомиров, Константин Сергеевич

• Тихомиров, Константин Сергеевич
• кандидат географических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат географических наук Тихомиров, Константин Сергеевич

Введение.

1 Общие сведения о стоке взвешенных наносов и методах его измерения.

1.1 Общие сведения о стоке взвешенных наносов.

1.2 Механизм взвешивания речных наносов.

1.3 Методы измерения взвешенных наносов.

1.4 Обзор прежних исследований.

1.5 Распределение средней мутности рек по территории России

2 Оптический метод: теоретическое обоснование и принципы реализации

2.1 Рассеяние света в мутной среде.

2.2 Дифракция электромагнитного излучения на сфере (Теория Ми).

2.3 Принципы измерения взвешенных наносов основанные на оптическом методе.

2.4 Основные источники погрешностей фотоэлектрических приборов.

3 Применение оптического метода в гидрометеорологических исследованиях.

3.1 Оптический метод в океанологии и метеорологии.

3.2 Общий подход к измерению концентрации взвешенных наносов оптическим методом в гидрометрии.

4 Апробация оптического метода измерения взвешенных наносов

4.1 Предварительные исследование.

4.2 Детальные исследования оптического метода применительно к задачам гидрометрии.

4.3 Гидрохимическая характеристика рек на территории Рос

4.4 Исследования возможности применения оптического мут-номера в водах различного химического типа

4.5 Исследование влияния органических веществ на оптические измерения.

5 Методика проведения измерений концентрации взвешенных наносов оптическим методом.

5.1 Рекомендуемая модель мутномера.

5.2 Результаты анализа данных полученных объемно-весовым и оптическим методами.

5.3 Область применения оптического метода.

5.4 Методика градуировки мутномера.

5.5 Методика проведения измерений.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «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.

Заключение диссертации по теме «Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия», Тихомиров, Константин Сергеевич

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

11100 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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат географических наук Тихомиров, Константин Сергеевич, 2003 год

1. Карасев И.Ф., Васильев А.В., Субботина Е.С. Гидрометрия. JL: Гидрометеоиздат, 1991. - 375 с.

2. Наставление гидрометеорологическим станциям и постам. Вып. 2, ч. 2. JL: Гидрометеоиздат, 1975. - 264 с.

3. Наблюдения на гидрометеорологической сети СССР. JL: Гидрометиздат, 1970. - 90 с.

4. Гидрологические приборы и гидрометрические сооружения. Л.: Гидрометеоиздат, 1982. 175 с.

5. Зотимов Н.В., Лавров С.А., Соловьев Н.Я. Использование радиоактивного способа для измерения мутности воды// Труды ГГИ. 1984. - Вып.305. - С. 96 - 104.

6. Арбузов И.А. Электрические измерения гидрологических величин. Л.: Изд. ЛГИ, 1975. - 157 с.

7. Разумихина КВ., Караушев А.В. Опыт применения фотометра для определения мутности воды// Труды ГГИ. 1963. - Вып. 100. -С. 40-53.

8. Илларионов А.В., Тихомиров К.С. Опыт применения оптического измерителя концентрации взвешенных частиц применительно к задачам гидрометрии// Итоговая сессия ученого совета РГГМУ 23 24 января 2001 г: Тезисы докладов - СПб.: Изд. РГГМУ, 2001. - С. 74-76.

9. Шамов Г. И. Сток наносов рек СССР. Л.: Гидрометиздат, 1956. -254 с.

10. Ю. Шамов Г. И. Речные наносы. Л.: Гидрометиздат, 1959. - 378 с.

11. Сток наносов, его изучение и географическое распределение. Л.: Гидрометиздат, 1977. - 240 с.

12. Гуревич М.М. Фотометрия (теория, методы и приборы). Л.: Энергоатомиздат, 1983. - 267 с.

13. Г. ван де Хюлст. Рассеяние света малыми частицами. М. Изд-во. Иностр. литерат, 1961. - 536 с.

14. Шифрин К.С. Рассеяние света в мутной среде. М.: Гостехтеоретиздат, 1951.-288 с.

15. Бегунов В.Н., Жуков Ю.П. и др. Автоматические приборы для измерений концентрации суспензий. М.: Машиностроение, 1979. -119 с.

16. Шифрин К.С. и др. Использование индикатрис рассеяния света для исследования морской взвесиII Известия АН СССР. Сер. Оптика океана и атмосферы. JL Из-во "Наука". - 1972 г. 25 -44 с.

17. Байвель Л.П., Лагунов А.С. Измерение и контроль дисперсности частиц методом светорассеяния под малыми углами. М.: Энергия, 1977. - 87 с.

18. Никифорова Н.К. Фотоэлектрические приборы для измерения концентраций и функции распределения частиц аэрозоля по размерам// Труды ИЭМ. 1973. - Вып. 4 (38). - С. 105 - 110.

19. Knudsen М. On measurement of penetration of light into the sea// Cons. Perm. Int. Explor. Mer. Publ. Circ., 1922. 76. -16 p.

20. Atkins W.R.G., Poole H.H. The photo-electric measurement of penetration of light of various wavelengths into the sea and the physiological bearing of the results// Philos. Trans. R. Soc. London, 1933.-Ser. B, 222. - P. 129.

21. Шулейкин B.B. Материалы по оптике рассеивающей среды в применении к морской воде, туманам и облакам// Геофизика. -1933.- Т.З,С. 145-180.

22. Гершун А.А. Теория светового поля. Л.: Изд. ОНТИ, 1936. -178 с.

23. Шифрин К.С. Оптические исследования облачных частиц// Исследования облаков, осадков и грозового электричества: Сб. статей. Л.: Гидрометиздат, 1957.-С. 19-25.

24. Фабелинский И.Л. Молекулярное рассеяние света. М. Физматгиз, 1965. - 511 с.

25. Копелевич О.В., Буренков В.И. О связи между спектральными значениями показателей поглощения света морской водой, пигментами фитопланктона, желтым веществом// Океанология. -1977. Т. 17, вып.З. - С. 427 - 433.

26. Копелевич О.В., Маштаков Ю.А., Буренков В.И. Исследования вертикальной стратификации рассеивающих свойств воды// Гидрофизические и оптические исследования в Индийском океане: Сб. статей. М.: Наука, 1975. - С. 54 - 60.

27. Халемский Э.Н., Войтов В.И. Районирование вод Тихого океана по прозрачности// Оптика океана и атмосферы: Сб. статей. Л.: Наука, 1972.-С. 181-186.

28. Козлянинов М.В., Овчинников И.М. О связи прозрачности вод с течениями в северо-восточной части Тихого океана// Труды ИОАН.- 1961. Т.45.- С. 102-112.

29. Шифрин К.С., Копелевич О.В. Современные представления об оптических свойствах морской воды// Оптика океана и атмосферы: Сб. статей. М.: Наука, 1981. - С. 4 - 55.

30. Шифрин К.С., Чаянова Э.А. Теория нефелометрического метода измерения прозрачности и структуры атмосферного аэрозоля// Изв. АН СССР. Серия ФАО, 1967. - Т. 3, №3, - С. 45 - 52.

31. Копелевич О.В., Буренков В.И. О нефелометрическом методе определения показателя рассеяния// Изв. АН СССР. Серия ФАО, -1971.-Т. 7,№12,-С. 1280- 1289.

32. Ерлов Н.Г. Оптика моря. Л.: Гидрометеоиздат, 1980. - 247 с.

33. G. Mie. Beitnige zur Optik trbber Medien, speziell kolloidalen MetalllHsungen// Ann. Phys. 1908. - 25. - 377 p.

34. Шулейкин B.B. Физика моря. M.: Наука, 1968. - 1083 с.

35. Бартенева О.Д., Довгялло Е.Н. Полякова Е.А. Экспериментальные исследования оптических свойств приземного слоя атмосферы// Труды ГГО 1967 - Вып. 220. - С. 26 - 35.

36. Jerlov N.G. The particulate matter in the sea as determined by means of the Tyndall meter// Tellus. 1955. - 7, №2,1955. - P. 218 - 225.

37. Tyler J.E. Measurement of the scattering properties of hydrosols// J. Opt. Soc. America.- 1961. 51, № 11. - P. 1289 - 1293.

38. Наставление гидрометеорологическим станциям и постам. Вып. 6, ч. 3. JL: Гидрометеоиздат,1958. - 290 с.

39. Карабашев Г.С., Якубович В.В. Пространственно-временная изменчивость показателя рассеяния света под углом 45° в деятельном слое Индийского океана// Гидрофизические и оптические исследования в Индийском океане М.: Наука, 1975, -С. 82- 93.

40. Карабашев Г.С., Якубович В.В. Морской погружаемый нефелометр с фиксированным углом рассеяния МПН-70// Изв. АН СССР. Серия ФАО, 1971. - Т. 7, №11, - С. 918 - 921.

41. Алекин О.А. Гидрохимия рек СССР// Труды ГГИ. 1948, Вып. 03.

42. Алекин О.А. Гидрохимия рек СССР// Труды ГГИ. 1948, Вып. 10 (64).

43. Алекин О.А. Гидрохимия рек СССР// Труды ГГИ. 1948, Вып. 15 (69).

44. Алекин О.А., Бражникова JI.B. Сток растворенных веществ с территории СССР. М.: Наука, 1964. - 144 с.

45. Алекин О.А. Основы гидрохимии. Л.: Гидрометиздат, 1970. -444 с.

46. Атлас гидрохимических характеристик местного стока европейской территории СССР. Л.: Гидрометиздат. 1972. - 47 с.

47. Емельянова В.П., Данилова Г.Н. Гидрохимические карты рек Советского Союза. Гидрохимические материалы. Л. 1982. - Т. 79. 3 -10 с.

48. Прокофьева Т.И., Тихомиров К.С. Мониторинг поверхностных вод в районах деятельности калийных предприятий// Тезисы. 1-го Всероссийского совещания по мониторингу геологической среды. Березники, 1999. - С. 90 - 91.

49. Илларионов А.В., Тихомиров К.С. Применение оптического фотомутномера в водотоках с водами различного химического типа. Итоговая сессия ученого совета РГГМУ 30-31 января 2002.: Тезисы докладов СПб.: Изд. РГГМУ, 2003. - С. 80 - 82с.

50. Константинов А.С. Общая гидробиология. М.: Высшая школа, 1972.- 472 с.

51. Шевченко М.А. Органические вещества в природной воде и методы их удаления. Киев.: Наукова думка, - 1966. - 202 с.

52. Тихомиров К.С. Область применения оптического измерителя концентрации взвешенных наносов// Итоговая сессия ученого совета РГГМУ 27-28 января 2003: Тезисы докладов СПб.: Изд. РГГМУ, 2003. - С. 90 - 92.р,% 50 —40 —3020 Н-10