ЗОНД-ЛОВУШКА ДЛЯ ВЗВЕШЕННЫХ НАНОСОВ

Область техники, к которой относится полезная модель.
Заявляемая полезная модель относится к устройствам для исследования параметров вод и может быть использована в экологических, гидрохимических, инженерно-гидрометеорологических исследованиях водотоков как природного, так и антропогенного генезиса для сбора твердых частиц, перемещающихся в потоке на различных глубинах.
Уровень техники.
Количественное изучение как нисходящего вертикального, так и горизонтального потока частиц в реках, как правило, связано с использованием седиментационных ловушек. Они позволяют определять удельную интенсивность осадконакопления минеральных и органических частиц на единицу площади дна за выбранный промежуток времени. Существуют различные виды таких ловушек, преимущественно отличающиеся размером и формой приёмных (пробосборных) сосудов (например, цилиндр, воронка, бутылка). Расположение сосудов на различной глубине в процессе пробосбора влияет на относительную интенсивность осадконакопления. При увеличении глубины установки приёмного сосуда высота столба воды над ним возрастает и, соответственно, количество взвешенных наносов в нём также увеличивается. При установке горизонтально ориентированных ловушек глубина их установки зависит от уровня изучаемого подводного горизонта. Как правило, в качестве таких уровней используют приповерхностный, придонный и срединный горизонты. Для определения темпов осаждения частиц (для таких целей преимущественно используют вертикально ориентированные седиментационые ловушки), скоростей и объемов горизонтального перемещения вещества (для таких целей преимущественно используют горизонтально ориентированные ловушки), ловушки помещают в русло на определенный период времени, длительность которого определяется возможностью накопления необходимого для исследования количества наносов. Данный период накопления осадка зависит от мутности и расхода водного потока, а также фракционного состава взвешенных частиц в потоке. Обычно длительность такого эксперимента составляет от нескольких часов до нескольких суток. По окончании измерений ловушки извлекают из потока, воду в них отстаивают, после чего сливают верхний слой воды, а нижний слой фильтруют через предварительно взвешенный фильтр. Взвешенное вещество из горизонтальных ловушек высушивают при комнатной температуре.
Для реализации описанной выше технологии из уровня техники известна седиментационная ловушка для отбора проб, применяемая при эколого-токсикологических исследованиях в акваториях морских и пресноводных водоемах, раскрытая в материалах патента РФ на полезную модель №149987. Известная ловушка состоит из цилиндрического корпуса с размещенным внутри усеченным конусом, вершина которого обращена к пробосборнику. Цилиндрический корпус имеет перфорированное «ложное» дно и скобы по нижнему краю для фиксации якоря ловушки и скобы по верхнему краю для фиксации поплавка (или сигнального буя). В верхней части корпуса выполнены три прорези на равномерном расстоянии друг от друга, посредством которых обеспечивают возможность перемещения конуса, с фиксацией посредством винтов на нужной высоте.
Однако у данного устройства узел пробоотбора (а именно, корпус с размещенным внутри усеченным конусом) при погружении в водную среду располагается только на одной заранее определенной глубине, что не позволяет оценить изменчивость и распределение потока взвешенных наносов по глубине. Для решения данной задачи необходимо использование нескольких устройств, установленных на разной глубине в относительной близости друг от друга. Кроме того, данная ловушка преимущественно предназначена для исследования вертикального нисходящего потока частиц и недостаточно приспособлена для изучения латерального переноса вещества в речном потоке.
Из уровня техники также известна малая седиментационная ловушка МСЛ-110 (см. В.Н. Лукашин и др., «Малая седиментационная ловушка МСЛ-110», журнал «Океанология», 2011, том 51, 4, с.746-750). Она предназначена для определения потоков осадочного вещества и его компонентов в толще вод морей, озер и водохранилищ и состоит из троса и нескольких цилиндрических ловушек (пробоотборников), которые установлены вертикально и закреплены на разных глубинных уровнях.
Известная ловушка неустойчива при погружении в водную среду, подвержена частому сносу течением, и может быть использована только в потоках с малой турбулентностью или ламинарных потоках. Кроме того, вертикальное ориентирование пробоотборников не позволяет получить достоверную картину распределения взвешенных наносов, поскольку достаточно большой поток частиц уносит течением, и они не успевают осесть в пробоотборных емкостях устройства.
Для сбора взвешенных частиц и установления вертикальных течений веществ известна многопозиционная седиментационная ловушка Лотос-3 (http://www.edboe.ru/products/lotos.htm). Она состоит из титановой несущей рамы с элементами для крепления тросов, конуса с баффлером, платформы с поворотным механизмом и блоком.
Однако конструкция данной ловушки довольно сложна и предназначена преимущественно для отбора проб в океане на глубинах до 6000 м. Кроме того, при ее изготовлении требуется использование высокотехнологичного оборудования.
Известна речная седиментационная ловушка, раскрытая в материалах полезной модели РФ №120776. Известное устройство содержит трос, полый осевой штырь и, по меньшей мере, три колбы, закрепленные с помощью держателей на различных уровнях и установленные в основании, прикрепленном к штырю. Количество колб определяет количество уровней измерений. К штырю закреплены три металлических диска, зафиксированные с зазором относительно друг друга, в верхнем диске выполнены отверстия, число которых равно числу колб, на каждом следующем диске выполнено на одно отверстие меньше, при этом нижний диск выполнен без отверстий, каждая из колб пропущена через отверстие, по крайней мере, одного диска с опорой ее дна на сплошную часть другого диска.
Известное решение позволяет провести отбор проб взвешенных наносов с разных глубин (в описанном случае – с трех уровней, по числу используемых колб). Однако в данной конструкции колбы при погружении в водный поток располагаются вертикально, что позволяет ловушке хорошо собирать взвешенные наносы водотоков лишь в относительно маловодные периоды, когда скорости течения водного потока невелики и частицы успевают осесть в вертикально ориентированных колбах. При больших расходах воды и наносов, значительное количество частиц будет проходить мимо ловушки, что может существенно исказить результаты исследования. Кроме того, из-за вертикального расположения колб, данную ловушку затруднительно использовать при изучении горизонтального переноса вещества водотоком.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является решение батометра градиентного (http://www.smart-pribor.ru/gidrometeorologicheskoe-oborudovanie/batometry-probootborniki-vody/bg-5h1-batometr-gradientnyj/). Устройство состоит из трубчатого корпуса, блока емкостей для отбора проб с верхней и нижней крышками, и синхронно замыкающего емкости механического устройства.
Недостатками данного устройства является недостаточная герметизация, а также малый объем емкостей, не позволяющий проводить отбор большого количества взвешенного материала за длительный период наблюдений (например, несколько суток). Кроме того, поскольку замыкание крышек происходит непосредственно при участии исследователя, данная полезная модель нуждается в постоянном контроле.
Раскрытие краткой сущности полезной модели.
Техническая проблема, решаемая посредством заявляемой полезной модели, заключается в необходимости преодоления недостатков, присущих аналогам и прототипу заявляемого решения за счет создания простой в монтаже и надежной в эксплуатации конструкции ловушки, обеспечивающей возможность отбора проб взвешенных наносов с различных глубинных уровней водотоков с различными расходами воды и объемами взвешенных наносов.
Технический результат, достигаемый при использовании заявляемой полезной модели, заключается в расширении арсенала известных средств отбора проб наносов в водных потоках, а также обеспечении возможности автономного отбора проб латерально перемещаемых взвешенных наносов с различных предварительно определенных глубинных горизонтов при различных скоростных характеристиках водных потоков. Преимуществом заявляемой модели является также универсальность устройства, простота его монтажа и легкость обслуживания, что позволяет проводить отбор проб в течение достаточно продолжительного срока (от нескольких дней до нескольких недель). Устройство также может быть легко адаптировано под большее или меньшее количество уровней измерения посредством изменения количества ловушек.
Заявленный технический результат достигается тем, что в зонде-ловушке, представляющем собой устройство для отбора проб взвешенных наносов в водных потоках, включающее трос, выполненный с возможностью крепления к нему с одной стороны сигнального буя, а с другой стороны – груза, обеспечивающего стабильное положение устройства в водном потоке, с закрепленными к нему, по меньшей мере, тремя ловушками взвешенных частиц наносов, согласно техническому решению, каждая ловушка выполнена в виде цилиндрического корпуса с открытыми торцами, представляющими собой вход и выход для набегающего водного потока, при этом со стороны входа ловушка снабжена гибким соединением, обеспечивающим ее подвижное закрепление к тросу, с возможностью горизонтального размещения корпуса ловушки при погружении в водный поток, а со стороны выхода к корпусу ловушки закреплена сетчатая емкость для сбора взвешенных частиц наносов. Емкость для сбора взвешенных частиц наносов может быть выполнена в виде сетчатого мешка из мелкоячеистой сетки с размером ячейки не менее 20 мкм и не более 30 мкм. Диаметр цилиндрического корпуса ловушки составляет не менее 100 мм, а его длина не менее 200 мм и не более 300 мм. Корпус ловушки может быть выполнен из полипропилена. Гибкое соединение обеспечивает удаленное размещение ловушки от троса на расстоянии не менее 30 см.
Техническая проблема решается посредством установки заявляемого зонда-ловушки, представляющего собой комплект из нескольких корпусов-ловушек, располагаемых друг под другом на разной глубине (например, приповерхностный слой, срединный слой, придонный слой) и закрепленных на тросе, растянутом между грузом и якорным буем.
Краткое описание чертежей.
Полезная модель поясняется следующими чертежами, где:
на фиг.1 представлена подробная схема заявляемого устройства, размещенного в водном потоке;
на фиг. 2 схематично представлена конструкция отдельной ловушки.
Позициями на чертежах обозначены:
1 – поверхность воды,
2 – сигнальный буй,
3 – якорный буй,
4 – ловушка,
5 – трос,
6 – груз,
7 – цилиндрический корпус ловушки,
8 – емкость пробоотбора (пробоотборника),
9 – зажим.
Осуществление полезной модели.
Заявляемое устройство представляет собой пассивный пробоотборник, устанавливаемый в водных потоках на длительный (до нескольких недель) период времени. Зонд-ловушка для взвешенных наносов состоит из комплекта цилиндрических ловушек 4, закрепленных на тросе 5 с грузом 6 с одной стороны и сигнальным буем 2 с другой. В качестве такого троса может быть использован металлический витой трос или (при небольших глубинах использования, до 5 м) металлическая труба. Длина троса определяется предварительно, перед погружением устройства в водную среду. Каждая ловушка представляет собой полый цилиндрический корпус 7, открытый с обоих торцов. В качестве материала для изготовления цилиндрического корпуса ловушки предпочтительно использовать полипропилен, что минимизирует постороннее загрязнение пробы взвешенных наносов неорганическими поллютантами. Это важно при дальнейшем эколого-химическом анализе пробы взвеси, например на содержание тяжелых металлов. Однако могут быть использованы и другие доступные материалы. Наиболее оптимальные габаритные размеры корпуса были установлены опытным путем. Для отбора интегральной пробы с конкретного подводного горизонта диаметр цилиндра корпуса ловушки должен превышать размер турбулентных вихрей в водном потоке. Для крупных водотоков для этой цели достаточно корпуса диаметром около 100 мм. Больший диаметр не приводит к повышению собираемости или повышению степени достоверности пробы, соответственно, нет необходимости в лишних затратах на материал. Минимальная длина корпуса составляет около 200 мм, а максимальная – около 300 мм. Эмпирически определено, что длина цилиндра более 200 мм снижает потери взвешенного вещества, проходящего через цилиндр ловушки, за счет создания подпора от цилиндра. На крупных водотоках при меньшей длине цилиндра часть взвешенного материала может вымываться из ловушки, что может исказить данные по общему объему взвеси. Однако, на водотоках с малыми скоростями течения возможно использование цилиндров и с меньшими габаритами. Длина корпуса более 300 мм возможна, однако при увеличении размеров составляющих конструкции возникают сложности с работой на реке из-за больших габаритов.
С одного торца к цилиндрическому корпусу посредством зажимов 9 (например, хомутов) закреплена емкость пробосборника 8 из сетчатого материала, выполненная, например, в виде сетчатого мешка. Объем такого мешка-пробосборника зависит от длительности ожидаемого периода наблюдения и мутности речного потока. Мелкоячеистая сетка (в качестве таковой может быть использован, например, мельничный газ) имеет размер ячейки не менее 20 мкм. Меньший размер ячейки приведет к быстрому заиливанию пробоотборного мешка, что воспрепятствует прохождению через него водной массы, и при больших скоростях течения может привести к потере целостности конструкции. Более крупный размер ячейки может привести к потере части мелкодисперсного взвешенного материала, переносимого водным потоком, в связи с тем, что средняя крупность взвеси для рек составляет от 20 до 30 мкм. Ловушки корпусами закреплены к тросу таким образом, что при помещении в водную среду, имеющую течение, корпус ловушки устанавливается горизонтально ориентировано, открытым торцом к направлению течения. Ловушки закреплены к тросу посредством гибких соединений, обеспечивающих возможность свободной установки ловушек при погружении в водную среду. Гибкое соединение может быть выполнено, например, в виде пары проволочных элементов, закрепленных с одной стороны к корпусу ловушки со стороны его открытого торца, а с другой стороны, закрепленных (или привязанных) к тросу. При этом длина проволочных элементов выбрана с обеспечением размещения ловушки в потоке на расстоянии от троса не менее 30 см. Такое расстояние позволяет избежать влияния троса на поток наносов на входе в корпус ловушки. Горизонтальное, удаленное от троса, расположение ловушек позволяет улавливать максимально возможное количество взвешенного вещества, прошедшего через площадь сечения корпуса ловушки, что в отличие от аналогов данного устройства, обеспечивает получение наиболее репрезентативного образца взвешенных наносов разной крупности на водотоках различного размера. С одного конца троса (в нижней его части при установке устройства в водную среду) закреплен груз, обеспечивающий стабилизацию устройства при погружении в водную среду. В качестве такого груза может быть использован, например, мешок с песком или достаточно крупный якорь. Вес груза определяют, исходя из необходимой глубины погружения устройства и скорости течения таким образом, чтобы он обеспечивал неподвижность конструкции ловушки в течение всего периода измерения. Как правило, на крупных водотоках с большими скоростями течения вес груза составляет 50-100 кг. С другого конца к тросу (в верхней его части при установке устройства в водную среду) закреплен сигнальный буй, по которому фиксируют размещение устройства в водной среде. Сигнальный буй 2, предназначенный для облегчения поиска устройства в конце периода пробоотбора, может быть выполнен, например, следующей конструкции: буй маркерный из ПВХ (https://www.shvartov.ru/product/buy-markernyy-185h150mm-zheltyy). В дополнение к сигнальному может быть использован якорный буй, предпочтительно снабженный светоотражающей лентой. Якорный буй 3 может быть выполнен, например, следующей конструкции: буй швартовый из ПВХ с металлическим штоком и вертлюгом (https://www.shvartov.ru/product/buy-shvartovyy-450-mm-krasnyy). Сигнальный и якорный буи закрепляют к тросу таким образом, чтобы они оставались на поверхности воды 1 при погружении устройства в водную среду.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
При необходимости оценки количества и состава взвешенного вещества, перемещаемого водным потоком, целесообразно проводить отбор проб на трех подводных горизонтах – приповерхностном, срединном и придонном. Соответственно, для таких измерений необходимо наличие трех ловушек. Для более детального исследования распределения взвеси в толще водной среды, может быть использовано большее количество ловушек.
Предварительно выбирают место установки устройства, определяют глубину водного объекта в выбранной зоне, и, тем самым определяют необходимую длину троса. По длине троса в выбранных точках жестко закрепляют ловушки описанной выше конструкции. Со стороны открытого торца корпуса посредством гибкого соединения закрепляют ловушки к тросу. С одного конца троса жестко закрепляют груз, а с другого – сигнальный и якорный буи. Собранное таким образом устройство погружают в водную среду. После установки устройства трос оказывается растянут между грузом или якорем с одной стороны и плавучем буем – с другой. Ловушки при погружении в водную среду под действием течения разворачиваются таким образом, что открытый торец ловушек расположен со стороны набегающего водного потока. Течение, переносящее взвешенные частицы различной крупности, направлено в сторону открытых торцов ловушек. Сетка, расположенная с противоположного торца, под действием течения расправляется, образуя емкость пробоотбора. Водный поток протекает сквозь корпуса ловушек, при этом взвешенные частицы задерживаются на сетчатой поверхности емкости пробоотбора (мешка). Соответственно, ловушки, установленные на различных глубинных горизонтах, обеспечивают сбор частиц с них. Устройство оставляют для сбора взвешенных наносов на период до нескольких недель. По окончании периода пробоотбора ловушки вынимают из водного потока, сетчатые емкости пробоотборники (мешки) отделяют от корпусов ловушек и высушивают перед транспортировкой. При дальнейшем анализе в лабораторных условиях из сетчатых пробоотборников извлекают собранную взвесь, которую используют для дальнейшего изучения. Разъемное соединение корпусов ловушек с тросом позволяет установить ловушки на различной глубине, в любом количестве, что способствует упрощению технологии пробоотбора и, вместе с тем, повышению информативности о распределении взвешенных наносов в водном потоке.
Пример конкретного выполнения.
Для подтверждения работоспособности заявляемого устройства, а также достижении технического результата, было изготовлено опытное устройство, апробированное в различные фазы водного режима на реках Селенга, Обь, Енисей, Лена, где с его помощью удалось осуществить отбор репрезентативных проб взвешенных наносов с 3-х глубинных горизонтов.
Устройство содержало три ловушки, корпус которых выполнен из полипропиленовых труб с одним раструбом ТУ 4926-001-78044889-2005 диаметром 110 мм, длиной 250 мм. С помощью трубных хомутов ТХУ 4" диаметром 110-116 мм к корпусу с одного его торца прикреплен мешочек из мелкоячеистой сетки (мельничный газ с диаметром пор 28 мкм), формирующий емкость для пробоотбора. Ловушки были прикреплены к тросу посредством гибких проволочных соединений. К нижнему концу троса закреплен холщовый мешок с песком весом более 30 кг, выполняющий функцию груза. В качестве якорного и сигнального буя использовано следующее устройство: надувной буй из ПВХ с упрочненным рымом (https://boats18.ru/catalog/moreman/stoyanka-i-shvartovka/1706/).
Выполнено несколько циклов полевых работ с использованием описанного устройства на реках Селенга (июль 2017), Лена (август 2018, июнь 2018), Обь (сентябрь и ноябрь 2018, июль 2019), Енисей (июнь 2019), Колыма (август 2019). Отработанная глубина рек, на которых проводилась инсталляция зонда-ловушки – от 5 (р. Селенга) до 20 м (р. Енисей у г. Игарка), что впервые позволило получить образцы взвешенных наносов с разных глубин речного потока крупных рек. Время пробоотбора составляло от 7 дней (р. Селенга) до 10 дней на р. Обь, Лена и Колыма. По окончании периода пробоотбора устройство изымали из водного потока и анализировали содержимое емкостей для сбора проб.
Так, на р. Селенга, количество взвеси, осевшей на сетчатой поверхности ловушек составило соответственно: придонный слой – 420 г, срединный слой – 350 г, поверхностный слой – 310 г.  Взвесь, отобранная с придонного горизонта (0,5 м от дна), характеризуется исключительно песчаным гранулометрическим составом, взвесь, отобранная со срединного и поверхностного слоя, характеризуется более мелкой песчано-илистой фракцией. Количественное распределение осевших наносов по глубине потока и их литологический состав описывают общую закономерность распределения мутности воды по глубине потока: количество взвешенных наносов увеличивается от поверхности до дна потока. Увеличение песчаной фракции наносов в придонном слое связано с захватом частиц, перемещающихся во влекомой форме, что является русловым источником поступления наносов, преобладание илистой фракции взвешенных наносов характеризуется бассейновым происхождением. Убывание размера частиц от дна потока к его поверхности объясняется их гидравлической крупностью и транспортирующей способностью потока.
v
v
В зависимости от длительности пробоотбора и мутности исследуемой реки, количество взвеси в ловушке-пробоотборнике составляет до 600 г. Проведенный гранулометрический анализ взвеси из ловушек показал, что наибольшей изменчивостью характеризуется доля песчаных фракций, (коэффициент вариации С был близок к 0,5). Илистые частицы распространены по створу достаточно равномерно, о чем говорит наименьшее значение С около 0,15. В связи с тем, что конструкция устройства позволяет устойчивое размещение ловушки-пробоотборника на длительный срок, возможно получение достаточного количества наносов для проведения фракционирования (разделения на гранулометрические фракции и последующего независимого анализа полученных образцов), что является важным преимуществом устройства по сравнению с другими видами отбора.
Таким образом, заявляемый зонд-ловушка позволяет охарактеризовать изменения фракционного состава взвешенного вещества с изменением глубины. Частицы разной крупности отличаются по сорбирующим свойствам, и в настоящее время проводится определение химического состава взвешенного вещества, полученного с помощью зонда-ловушки, для выявления изменений в распределении поллютантов (например, тяжелых металлов) в речном потоке в зависимости от глубины и скорости течения.