СПОСОБ ОТБОРА ПРОБ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗАГРЯЗНЕННОГО УЧАСТКА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПУТИ
METHOD OF COLLECTING SAMPLES FOR INVESTIGATING CONTAMINATED RAILROAD SECTION

Изобретение относится к области исследования загрязнений поверхности линейных сооружений и предназначено, в частности, для исследования загрязненной территории на поверхности железнодорожного пути.
Известен способ отбора проб, описанный в нормативном документе ГОСТ 17.4.4.02-84. «Охрана природы. Почвы. Методы отбора и подготовки проб для химического, бактериологического, гельминтологического анализа» и заключающийся в отведении пробных площадок на выделяющихся частях рельефа (возвышения или низины). Применяется при неоднородном рельефе.
Известен также способ отбора проб, описанный в нормативном документе ГОСТ 17.4.4.02-84. «Охрана природы. Почвы. Методы отбора и подготовки проб для химического, бактериологического, гельминтологического анализа», который заключается в том, что точечные пробы отбирают на пробной площадке из одного или нескольких слоев или горизонтов методом конверта, по диагонали или любым другим способом с таким расчетом, чтобы каждая проба представляла собой часть почвы, типичной для генетических горизонтов или слоев данного типа почвы. Согласно п.3.2 ГОСТ 17.4.4.02-84, объединенную пробу составляют путем смешивания точечных проб, отобранных на одной пробной площадке. Количество точечных проб должно соответствовать ГОСТ 17.4.3.01-83.
Самым близким по своей технической сущности является способ определения пробных площадок для отбора проб с применением системы «концентрических окружностей», описанный в нормативном документе ГОСТ 17.4.3.01-83 (СТ СЭВ 3847-82) «Охрана природы. Почвы. Общие требования к отбору проб», который заключается в том, что окружности располагаются на определенных расстояниях от источника загрязнения, каждая окружность имеет свой номер, а также задаются азимуты места отбора проб. Применяется в основном для локальных загрязнений. В зависимости от цели исследования, размер пробной площадки, количество и вид пробы должны соответствовать указанным в таблице параметрам (ГОСТ 17.4.3.01-83). Принят за прототип.
Объединенная проба, составленная путем смешивания точечных проб, отобранных на одной пробной площадке должна быть массой не менее 1 кг. Количество точечных проб должно соответствовать ГОСТ 17.4.3.01-83.
Недостатком данного способа является то, что отбор точечных проб происходит не только с загрязненного участка, но и с участков, лежащих за пределами линейного сооружения. И каждый из указанных выше способов направлен на исследование участка определенной формы, они не предназначены для исследования загрязнений поверхности линейных сооружений и не позволяют при исследовании загрязненной территории на поверхности железнодорожного пути получить достоверную информацию о степени загрязненности линейного участка, а также определить динамику изменения загрязненности участка железнодорожного пути на любой его протяженности.
Технический результат изобретения - получение достоверной информации о степени загрязненности участка железнодорожного пути, а также определение динамики изменения загрязненности участка железнодорожного пути на любой его протяженности.
Технический результат достигается тем, что в известном способе отбора проб для исследования загрязненного участка железнодорожного пути, включающем определение максимально загрязненного участка на железнодорожном пути, определение количества отбираемых точечных проб, отбор точечных проб загрязненного участка, составление объединенной пробы, особенностью является то, что при отборе точечных проб с поверхности железнодорожного пути выбирают малую и большую ось полуэллипсов, при этом малая ось определяет начало области локального загрязнения, а большая ось определяет ее протяженность и на данных осях определяют точки для отбора проб, а их количество определяют, согласно формуле
a
a
a
1
2
3
N=+·p+·p, шт.
где N - количество отбираемых проб по методу полуэллипсов;
a
1
- количество отборов на выбранной малой оси полуэллипса;
a
2
- количество отборов на полуэллипсе;
a
3
- количество отборов на большой оси полуэллипса;
p - количество полуэллипсов.
Количество отбираемых проб N напрямую зависит от ширины принятого для исследования участка железнодорожного пути (длины малой оси полуэллипсов). Количество полуэллипсов p зависит от принятой длины исследуемого участка вдоль железнодорожного пути (длины большой оси полуэллипсов), деленной на половину ширины принятого для исследования участка железнодорожного пути (половину длины малой оси полуэллипсов). Причем малая ось полуэллипсов делится на три равных отрезка, на границах которых определяются точки для отбора проб, выбирается большая ось полуэллипсов на протяжении исследуемого линейного участка железнодорожного пути, причем точки для отбора проб на большой оси полуэллипсов определяются по формуле
1
A=l·(n-1/2), м
где l - половина длины малой оси полуэллипсов, м;
n - номер полуэллипса, начиная от малой оси полуэллипса;
перпендикулярно малой оси полуэллипсов из концов центрального отрезка строятся прямые линии и на пересечении этих линий с полуэллипсами определяются точки для отбора проб по формуле
3,4
A=(0,943·l)·n, м
где l - половина длины малой оси полуэллипсов, м;
n - номер полуэллипса, начиная от малой оси полуэллипса;
0,943 - коэффициент, вычисленный экспериментальным путем и необходимый для определения длины участка между малой осью полуэллипсов и последующей точкой отбора проб.
Данный коэффициент получен следующим образом.
Пример 1. Расчет коэффициента (0,943).
1) Определяем длину малой оси полуэллипсов исходя из визуального осмотра исследуемого участка (5000 мм);
2) делим малую ось полуэллипсов на три равных отрезка, на границах которых будут располагаться точки для отбора проб (5000 мм/3=1666,67 мм);
3) принимаем длину большой оси полуэллипса равной единицы (l=2500=1);
3
4
3
4
4) измеряем расстояние от крайних точек внутреннего отрезка малой оси (O и O) полуэллипсов до следующей точки (т.3.1 и т.4.1), параллельно большой оси полуэллипсов, расположенной на пересечении линий, построенных из точек O и O, с последующим полуэллипсом (2356,43 мм).
Принимаем длину большой оси полуэллипса равной 2500 мм за единицу (2500 мм-1). Величина, равная 2356,43 и полученная экспериментальным путем (т.е. эта величина измерена), принимается за x. Составляем пропорцию:
2500-1
2356,43-x.
Отсюда получаем, что x=(2356,43·1)/2500=0,9426≈0,943.
Пример 2. Расчет коэффициента (0,943).
1) Определяем длину малой оси полуэллипсов исходя из визуального осмотра исследуемого участка (7000 мм);
2) делим малую ось полуэллипсов на три равных отрезка, на границах которых будут располагаться точки для отбора проб (7000 мм/3=2333,33 мм);
3) принимаем длину большой оси полуэллипса равной единицы (l=3500=1);
3
4
3
4
4) измеряем расстояние от крайних точек внутреннего отрезка малой оси (O и O) полуэллипсов до следующей точки (т.3.1 и т.4.1), параллельно большой оси полуэллипсов, расположенной на пересечении линий, построенных из точек O и O, с последующим полуэллипсом (3299,00 мм).
Принимаем длину большой оси полуэллипса равной 3500 мм за единицу (3500 мм-1). Величина, равная 3299,00 и полученная экспериментальным путем (т.е. эта величина измерена), принимается за x. Составляем пропорцию:
3500-1
3299,00-x.
Отсюда получаем, что x=(3299,00·1)/3500=0,9426≈0,943,
а из половины крайних отрезков, разделяющих малую ось полуэллипсов, перпендикулярно строятся прямые линии. На пересечении этих линий с полуэллипсами определяются точки для отбора проб по формуле
2,5
A=(0,745·l)·n, м
где l - половина длины малой оси полуэллипсов, м;
n - номер полуэллипса, начиная от малой оси полуэллипса;
0,745 - коэффициент, вычисленный экспериментальным путем и необходимый для определения длины участка между малой осью полуэллипсов и последующей точкой отбора проб.
Данный коэффициент получен следующим образом.
Пример 1. Расчет коэффициента (0,745).
1) Определяем длину малой оси полуэллипсов исходя из визуального осмотра исследуемого участка (5000 мм);
2) делим малую ось полуэллипсов на три равных отрезка, на границах которых будут располагаться точки для отбора проб (5000 мм/3=1666,67 мм);
3) принимаем длину большой оси полуэллипса равной единицы (l=2500=1);
2
5
2
5
4) измеряем расстояние от крайних точек внутреннего отрезка малой оси (O и O) полуэллипсов до следующей точки (т.2.1 и т.5.1), параллельно большой оси полуэллипсов, расположенной на пересечении линий, построенных из точек O и O, с последующим полуэллипсом (1863,39 мм).
Принимаем длину большой оси полуэллипса равной 2500 мм за единицу (2500 мм-1). Величина, равная 1863,39 и полученная экспериментальным путем (т.е. эта величина измерена), принимается за x. Составляем пропорцию:
2500-1
1863,39-x.
Отсюда получаем, что x=(1863,39·1)/2500=0,7453≈0,745.
Пример 2. Расчет коэффициента (0,745).
1) Определяем длину малой оси полуэллипсов исходя из визуального осмотра исследуемого участка (7000 мм);
2) делим малую ось полуэллипсов на три равных отрезка, на границах которых будут располагаться точки для отбора проб (7000 мм/3=2333,33 мм);
3) принимаем длину большой оси полуэллипса равной единицы (l=3500=1);
2
5
2
5
4) измеряем расстояние от крайних точек внутреннего отрезка малой оси (O и O) полуэллипсов до следующей точки (т.2.1 и т.5.1), параллельно большой оси полуэллипсов, расположенной на пересечении линий, построенных из точек O и O, с последующим полуэллипсом (2608,75 мм).
Принимаем длину большой оси полуэллипса равной 2500 мм за единицу (3500 мм-1). Величина, равная 2608,75 и полученная экспериментальным путем (т.е. эта величина измерена), принимается за x. Составляем пропорцию:
3500-1
2608,75-x.
Отсюда получаем, что x=(2608,75·1)/3500=0,7453≈0,745
Для упрощения расстановки точек отбора проб составлена таблица (таблица №1), позволяющая определить их расположение на исследуемом участке железнодорожного пути в зависимости от наиболее принимаемых длин исследуемого участка железнодорожного пути (длин малой оси полуэллипсов).
Пример. Для определения расположения точек отбора проб, а также их количества, примем половину ширины малой оси полуэллипсов l равной 3000 мм (см. фиг.3). Длину L исследуемого участка вдоль железнодорожных путей (протяженность большой оси полуэллипсов) принимаем 15000 мм. Находим количество полуэллипсов p (пробных площадок):
p=L/l, шт.;
p=15000/3000=5 шт.
a
1
Определяем количество отборов  на малой оси полуэллипсов, для этого разделим малую ось полуэллипсов на три равных отрезка, на границах которых будут располагаться точки для отбора проб:
a
1
=4 шт.
a
2
Для определения количества отборов проб , расположенных на полуэллипсе, необходимо из граничных точек внутреннего отрезка, а также из середин крайних отрезков, разделяющих малую ось полуэллипсов, провести линии параллельно большой оси полуэллипса. На пересечении этих линий с полуэллипсом и будут располагаться точки для отбора проб:
a
2
=4 шт.
Для определения расстояния до точек отборов, расположенных на полуэллипсах, по осям, проведенным из середин крайних отрезков малой оси полуэллипсов до пересечения с последующими полуэллипсами (см. фиг.3), воспользуемся формулой
2,5
A=(0,745·l)·n, м,
где l=3000 мм=3 м - половина длины малой оси полуэллипсов, м;
n - номер полуэллипса, начиная от малой оси полуэллипса.
Расстояние от малой оси полуэллипсов до точек отбора, расположенных на первом полуэллипсе:
2,5
A=(0,745·3)·1=2,235 м.
Расстояние от малой оси полуэллипсов до точек отбора, расположенных на втором полуэллипсе:
2,5
A=(0,745·3)·2=4,470 м.
Расстояние от малой оси полуэллипсов до точек отбора, расположенных на третьем полуэллипсе:
2,5
A=(0,745·3)·3=6,705 м.
Расстояние от малой оси полуэллипсов до точек отбора, расположенных на четвертом полуэллипсе:
2,5
A=(0,745·3)·4=8,940 м.
Расстояние от малой оси полуэллипсов до точек отбора, расположенных на пятом полуэллипсе:
2,5
A=(0,745·3)·5=11,175 м.
Для определения расстояния между точками отбора необходимо общую длину полученных осей разделить на количество полуэллипсов:
2,5
A=11,175/5=2,235 м.
Для определения расстояния до точек отборов, расположенных на полуэллипсах, по осям, проведенным из крайних точек внутреннего отрезка малой оси полуэллипсов до пересечения с последующими полуэллипсами (см. фиг.3), воспользуемся формулой
3,4
A=(0,943·l)·n, м
где l=3000 мм=3 м - половина длины малой оси полуэллипсов, м;
n - номер полуэллипса, начиная от малой оси полуэллипса.
Расстояние от малой оси полуэллипсов до точек отбора, расположенных на первом полуэллипсе:
3,4
A=(0,943·3)·1=2,829 м.
Расстояние от малой оси полуэллипсов до точек отбора, расположенных на втором полуэллипсе:
3,4
A=(0,943·3)·2=5,658 м.
Расстояние от малой оси полуэллипсов до точек отбора, расположенных на третьем полуэллипсе:
3,4
A=(0,943·3)·3=8,487 м.
Расстояние от малой оси полуэллипсов до точек отбора, расположенных на четвертом полуэллипсе:
3,4
A=(0,943·3)·4=11,316 м.
Расстояние от малой оси полуэллипсов до точек отбора, расположенных на пятом полуэллипсе:
3,4
A=(0,943·3)·5=14,145 м.
Для определения расстояния между точками отбора необходимо общую длину полученных осей разделить на количество полуэллипсов:
3,4
A=14,145/5=2,829 м.
Для определения расстояния от малой оси полуэллипсов до точек отбора, расположенных на большой оси полуэллипсов (см. фиг.3), воспользуемся формулой
1
A=l·(n-1/2), м
где l=3000 мм=3 м - половина длины малой оси полуэллипсов, м;
n - номер полуэллипса, начиная от малой оси полуэллипса.
Расстояние от малой оси полуэллипсов до первой точки отбора, расположенной на большой оси полуэллипсов:
1
A=3·(1-1/2)=1,500 м.
Расстояние от малой оси полуэллипсов до второй точки отбора, расположенной на большой оси полуэллипсов:
1
A=3·(2-1/2)=4,500 м.
Расстояние от малой оси полуэллипсов до третьей точки отбора, расположенной на большой оси полуэллипсов:
1
A=3·(3-1/2)=7,500 м.
Расстояние от малой оси полуэллипсов до четвертой точки отбора, расположенной на большой оси полуэллипсов:
1
A=3·(4-1/2)=10,500 м.
Расстояние от малой оси полуэллипсов до пятой точки отбора, расположенной на большой оси полуэллипсов:
1
A=3·(5-1/2)=13,500 м.
Для определения расстояния между точками отбора необходимо общую длину большой оси полуэллипсов разделить на количество полуэллипсов:
3,4
A=15,000/5=3,000 м
3
Количество отборов a на большой оси полуэллипса равно одному:
a
3
=1 шт.
Подставим полученные результаты в формулу для определения количества отбираемых проб N:
N=4+4·5+1·5=29 шт.
Для максимально эффективного определения отрицательного воздействия на окружающую природную среду загрязняющих веществ, присущих железнодорожным путям, необходимо исследовать загрязнения с поверхности железнодорожного пути и получить достоверную информацию, а также определить динамику изменения загрязненности участка железнодорожного пути на любой его протяженности. Исследования имеют определенную последовательность: необходимо определить загрязненный участок, далее определить способ отбора проб, отобрать пробы загрязненного участка; провести специальную подготовку проб; выполнить анализы по определению загрязняющих веществ в пробах.
Подтверждение целесообразности применения заявленного способа отбора проб при исследовании загрязнений поверхности линейных сооружений и для получения достоверной информации о степени загрязненности участка железнодорожного пути были достигнуты экспериментальным путем.
Для получения результатов сравнительного анализа известных способов и предлагаемого способа отбора проб были проведены исследования территории железнодорожных станций города Самары. Отбор проб проводился в соответствии с ГОСТ 17.4.3.01-83 и ГОСТ 17.4.4.02-84, на пробных площадках. Отбор проб проводился с различных горизонтов (слоев) щебня на глубинах 0-20, 20-40, 40-60 см. Объединенная проба, отобранная с различных горизонтов, имела массу не менее одного килограмма. Все объеденные пробы регистрировались в журнале и нумеровались. В отобранных пробах определялось содержание нефтепродуктов. Химические анализы по нахождению концентраций загрязненности нефтепродуктами отобранных проб проводились в аккредитованной гидрохимической лаборатории кафедры водоснабжения и водоотведения ФГБОУ ВПО «Самарского государственного архитектурно-строительного университета» (ФГБОУ ВПО «СГАСУ»). Экспериментально полученные данные, по результатам обследования железнодорожной станции «Толевая» г. Самары, приведены в таблицах 2, 3 и 4. При первом отборе проб балласта был использован метод «конверта» (Фиг.2). На железнодорожной станции «Толевая» г. Самара были выбраны три пробные площадки, с которых отбиралось по пять проб по методу «конверта». Сторона квадрата составляла 1,5 м. Были проведены анализы трех объединенных проб, полученных с каждой пробной площадки с помощью совмещения пяти проб массой по 0,2 кг, результаты анализов отобранных проб сведены в таблицу №2.
При втором отборе проб был использован метод по системе «концентрических окружностей» (Фиг.3). На трех окружностях радиусами 3, 6 и 9 м было отобрано по пять проб и одна - в центре. Из пяти проб каждой окружности составлялась одна объединенная проба массой 1 кг. В результате получили четыре пробы щебня с железнодорожной станции «Толевая» г. Самара. Результаты анализов приведены в таблице №3.
Одновременно на этой же железнодорожной станции «Толевая» были отобраны пробы по способу предполагаемого изобретения на трех пробных площадках (Фиг.4). За малую ось принято место остановки локомотива, большая ось проходила по центру железнодорожного пути. Приняты три пробные площадки. Пробы, отобранные на малой оси полуэллипса, были объединены. Длина малой оси полуэллипса составляла 6,0 м. Каждые пять проб, отобранных с соответствующей пробной площадки, были объединены в общую пробу массой 1 кг. Шаг каждой пробной площадки составлял 3,0 м. Результаты анализов представлены в таблице №4.
Пробы щебня по каждому выше описанному способу отбирались с одного и того же участка железнодорожного пути по известным методам, согласно вышеуказанным ГОСТам и по заявленному способу. Этот щебень эксплуатировался на железной дороге в течение 1,5-2,0 лет. Проба щебня помещалась на 48 ч в 1 л воды. Таким образом, моделировалось снятие загрязнений, которые могут быть смыты в естественных условиях с железной дороги. В лаборатории определялись такие загрязнения, как взвешенные вещества, нефтепродукты, сухой остаток, железо общее, медь, цинк, никель и свинец по известным методикам.
Из таблиц 2, 3 и 4 видно, что величина загрязнения, определенная известными методами и заявленным способом отбора проб для исследования загрязненного участка железнодорожного пути, отличается. Сравнительный анализ показал, что для определения загрязнений поверхности линейных сооружений, в частности, для исследования загрязненной территории на поверхности железнодорожного пути, с использованием метода по системе «концентрических окружностей» и с использованием метода «конверта» не дают достоверную информацию о степени загрязненности именно линейного сооружения, а также не позволяют определить динамику изменения загрязненности участка железнодорожного пути на любой его протяженности, и только заявленный способ отбора проб, для исследования загрязненного участка железнодорожного пути, дает более достоверную информацию о степени загрязненности участка железнодорожного пути, а также позволяет определить динамику изменения загрязненности участка железнодорожного пути на любой его протяженности.
Суть технического решения поясняется схемами отбора проб:
Фиг.1 - Схема расположения пробных площадок методом «конверта» (аналог), где показано место локального загрязнения 1, точки отбора проб 2, площадки для отбора проб 3, железнодорожное полотно 4.
Фиг.2 - Схема расположения пробных площадок по системе «концентрических окружностей» (прототип), где показано место локального загрязнения 1, точки отбора проб 2, железнодорожное полотно 4, концентрические окружности 5 (площадки для отбора проб по системе концентрических окружностей).
Фиг.3 - Схема расположения пробных площадок по заявленному способу, где показано место локального загрязнения 1, точки отбора проб 2, железнодорожное полотно 4, полуэллипсы 6 (площадки для отбора проб по заявленному способу), малая ось полуэллипсов 7, большая ось полуэллипсов 8.
Фиг.4 - Схематическое наложение расположения пробных площадок отбора проб по системе «концентрических окружностей» и по способу заявленного изобретения, где показано место локального загрязнения 1, точки отбора проб 2, железнодорожное полотно 4, концентрические окружности 5, полуэллипсы 6 (площадки для отбора проб по заявленному способу).
Способ отбора проб для исследования загрязненного участка железнодорожного пути применительно к линейным участкам осуществляется следующим образом. Определяют максимально загрязненный участок на железнодорожном пути, это может быть место остановки локомотива на железнодорожных станциях или место, максимально загрязненное на железнодорожном пути. Выбирают малую ось полуэллипсов, от которой происходит отсчет пробных площадок, и которая делится на три равных отрезка, на границах которых определяются точки для отбора проб. Далее выбирают большую ось полуэллипсов на протяжении исследуемого линейного участка, а именно железнодорожного пути, и определяют точки для отбора проб на большой оси полуэллипсов по формуле
1
A=l·(n-1/2), м
где l - половина длины малой оси полуэллипсов, м;
n - номер полуэллипса (пробной площадки), начиная от малой оси полуэллипса;
перпендикулярно малой оси полуэллипсов из концов центрального отрезка строятся прямые линии и на пересечении этих линий с полуэллипсами определяются точки для отбора проб по формуле
3,4
A=(0,943·l)·n, м
где l - половина длины малой оси полуэллипсов, м;
n - номер полуэллипса, начиная от малой оси полуэллипса;
а из половины крайних отрезков, разделяющих малую ось полуэллипсов, перпендикулярно строятся прямые линии. На пересечении этих линий с полуэллипсами определяются точки для отбора проб по формуле
2,5
A=(0,745·l)·n, м
где l - половина длины малой оси полуэллипсов, м;
n - номер полуэллипса, начиная от малой оси полуэллипса;
Количество отбираемых проб в предлагаемом методе полуэллипсов определяется формулой
a
a
a
1
2
3
N=+·p+·p, шт,
где N - количество отбираемых проб по методу полуэллипсов;
a
1
- количество отборов на выбранной малой оси полуэллипса;
a
2
- количество отборов на полуэллипсе;
a
3
- количество отборов на большой оси полуэллипса;
p - количество полуэллипсов (пробных площадок).
Объединенная проба, полученная путем смешивания точечных проб, отобранных с различных горизонтов, имеет массу не менее одного килограмма. Все объеденные пробы регистрируются в журнале, нумеруются и передаются в лабораторию для химического анализа.
При использовании указанного в ближайшем аналоге способа для отбора проб с применением системы «концентрических окружностей» для линейных сооружений, который заключается в том, что окружности располагаются на определенных расстояниях от источника загрязнения, отбор точечных проб происходит не только с загрязненного участка, но и с участков, лежащих за пределами линейного сооружения. Поскольку для выполнения анализа по определению загрязняющих веществ количество и вид пробы должны соответствовать указанным выше ГОСТам, которые предусматривают предоставление для анализа объединенной пробы, составленной путем смешивания точечных проб, отобранных на одной пробной площадке, то смешивание пробы с загрязненного участка линейного сооружения и точечных проб с участка, лежащего за его пределами - не дает достоверную информацию о степени загрязненности именно линейного сооружения, а также не позволит определить динамику изменения загрязненности участка железнодорожного пути на любой его протяженности. Применение данного способа позволяет получить лишь усредненные показания степени загрязненности железнодорожного пути, тогда как отбор проб для исследования загрязненного участка железнодорожного пути по заявленному способу позволяет получить достоверную информацию о степени загрязненности участка железнодорожного пути и определить динамику изменения загрязненности участка железнодорожного пути на любой его протяженности.