СЕДИМЕНТАЦИОННАЯ ЛОВУШКА

Полезная модель относится к устройствам для отбора проб взвешенных частиц, оседающих на дно естественных или искусственных мелководных водоемов или прибрежных мелководных зон крупных водоемов, а также не глубоких водотоков глубиной 1-5 м с небольшой скоростью течения, при проведении в их акваториях экологических, геологических, гидрохимических, биологических и других видов исследований.
Применение седиментационной ловушки, кроме определения скорости накопления осадочного материала на дне водоемов и водотоков, позволяет получать пробу для изучения его вещественно-минералогического и химического состава при проведении мониторинга экологического состояния водных экосистем.
Из предшествующего уровня техники известны следующие седиментационные ловушки, предназначенные для использования на глубоководных участках океанов, морей, крупных озер и водохранилищ.
Известен автоматический седиментационный пробоотборник (RU 2119151 C1, G01N 1/10, опубл. 20.09.1998) /1/, который содержит раму с закрепленной на ней воронкой для сбора вещества и закрепленный в ее нижней части механизм смены накопительных стаканов в виде двух соосно закрепленных на оси дисков верхнего неподвижного, закрепленного в нижней части воронки, и нижнего подвижного, на котором закреплены накопительные стаканы. Механизм смены накопительных стаканов снабжен соленоидной катушкой с подпружиненным стержнем с возможностью взаимодействия последнего с подвижным диском и спиральной пружиной, закрепленной одним концом к неподвижному диску, а другим - к подвижному через ось, соосную обоим дискам. Воронка в верхней части перекрыта решетчатым экраном. Конструкция пробоотборника позволяет повысить эффективность, надежность и продолжительность работы в глубоководных океанических и морских условиях, однако конструктивное выполнение пробоотборника сложное, энергетически затратное.
Известна седиментационная ловушка (RU 113002 U1, G01N 1/10, опубл. 27.01.2012) /2/, которая представляет собой цилиндр со вставленным в него конусом, в виде обрезанной стандартной пластиковой 2-х литровой бутылки, зажатой с наружной стороны цилиндра хомутом, а внизу узкая часть воронки имеет резьбу, на которой навинчена соединительная муфта, в которую ввинчен пробосборник, представляющий собой стандартную пластиковую трехсотграммовую бутылку. Постановка ловушек в глубоководных акваториях осуществляется на тросе, к которому крепится балластный груз, который выносится крановой лебедкой за борт, и в процессе спуска к тросу с помощью хомутов крепятся ловушки. В зависимости от программы исследований, к верхней части троса крепится притопленный или поверхностный буй. Данная ловушка ненадежна при проведении исследований так как пластиковый пробосборник находится вне корпуса, что способствует отрыву его при неблагоприятных условиях, кроме того, ловушку трудно фиксировать в вертикальном положении.
Известна седиментационная ловушка (RU 149987 U1, G01N 1/10, опубл. 27.01.2015) /3/, которая содержит цилиндрический корпус с размещенным внутри усеченным конусом, вершиной обращенной в пробосборник. Цилиндрический корпус имеет перфорированное ложное дно и скобы по нижнему краю для фиксации якоря и скобы по верхнему краю для фиксации поплавка. В верхней части корпуса выполнены три прорези с равномерным расстоянием друг от друга, для перемещения конуса, с фиксированием посредством винтов на нужной высоте. Конструктивное выполнение данной седиментационной ловушки позволяет ее использовать для сбора седиментационных осадков в акваториях с сильным течением с глубинами до 50 м. При использовании данной ловушки предполагается, что осаждающийся материал будет беспрепятственно скатываться по наклонным стенкам усеченного конуса в пробосборник. Однако на практике часть осаждающейся взвеси будет оседать на наклонных стенках усеченного конуса и при подъеме ловушки будет происходить взмучивание и вымывание взвеси, что приведет к снижению достоверности оценки скорости осадконакопления в водных объектах.
Для спуска/подъема глубоководных ловушек требуется использование лебедки и тяжелого балластного груза для придания устойчивости в условиях сильных волнений и течений, что исключает возможность использования их в мелководных водоемах или прибрежных мелководных зонах крупных водоемов, а также не глубоких водотоках.
Из седиментационных ловушек, которые можно использовать на мелководных участках водоемов и водотоков, известны следующие.
Речная седиментационная ловушка (RU 120776 U1, G01N 33/18, опубл. 27.09.2012) /5/, содержит трос, полый осевой штырь и, минимум две колбы, закрепленные с помощью держателей на различных уровнях и установленные в основании, прикрепленном к штырю, через который пропущен трос, и содержит также, по крайней мере, три металлических диска, зафиксированных с зазором относительно друг друга на осевом штыре, причем в верхнем диске выполнены отверстия, число которых равно числу колб, на каждом следующем диске выполнено на одно отверстие меньше, причем нижний диск выполнен без отверстий, каждая из колб пропущена через отверстие, одного из дисков с опорой ее дна на сплошную часть другого диска, при этом расположение колб осуществляется на различной высоте, что влияет на относительную интенсивность осадконакопления и позволяет судить о динамике нисходящих Однако, как отмечают сами авторы /6/, известное устройство из-за его относительно больших габаритов нельзя использовать на водоемах и водотоках с небольшими глубинами.
Указанный недостаток устранен в приведенной ниже конструкции нижеприведенной полезной модели тех же авторов.
Наиболее близкой по назначению к заявляемой полезной модели является седиментационная ловушка для малых водотоков и ручьев с небольшими глубинами (RU 127471 U1, G01N 33/18, опубл. 27.04.2013) /6/, которая содержит трос и осевой штырь, прикрепленные к основанию, и, по крайней мере, две колбы, выполненные в виде цилиндрических стаканов. Все колбы установлены на одном уровне, опираются на общее основание и в верхней части прикреплены к осевому штырю с помощью держателей в виде зажимов.
Однако при подъеме ловушки происходит частичное вымывание осажденного материала из колб, что приводит к снижению достоверности эксперимента.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели по назначению и большинству совпадающих признаков является устройство для сбора седиментационного материала в морских мелководьях (CN 103039411 (А), A01K 80/00, CN 2013103100 20130105) /4/, которое содержит раму, три рычага-подвески, к которым прикреплены три емкости для сбора седиментационного материала в форме цилиндрических стаканов (колб), дно каждой колбы снабжено грузом, а в верхней части каждая колба снабжена защитной сеткой. При помощи троса к раме крепится поплавок.
Недостатком устройства является сложность конструкции, трудоемкость при обслуживании трех колб для сбора седиментационного материала, а также частичное вымывание осажденного материала из колб при подъеме ловушки, что приводит к снижению достоверности эксперимента. Последнее обусловлено тем, что подъемная сила, воздействующая на емкость с взвесью с начальным ускорением вызывает по закону Ньютона противодействующую силу, которая, складываясь с силой тяжести изменяющегося водяного столба приводит к вымыванию взвеси при подъеме ловушки.
На практике установлено, [7-10], что для исключения вымывания осажденного материала из колб при подъеме ловушки необходимо обеспечить соотношение диаметра колбы к ее высоте, равное 1:3. Следовательно, увеличение диаметра колб приведет к необходимости пропорционально увеличивать и их высоту, что в свою очередь увеличивает глубины, на которых может быть установлена седиментационная ловушка. В то же время для накопления необходимого количества взвеси для всех видов анализа необходимо увеличивать диаметр колбы.
Техническим результатом настоящей полезной модели является упрощение конструкции, за счет исключения рамы, рычагов, уменьшение количества колб, повышение скорости накопления осадка и уменьшение исследуемой глубины водотока не менее 1-5 м за счет использования одной широкой емкости вместо трех узких колб и исключение вымывания взвеси при подъеме седиментационной ловушки за счет обеспечения возможности закрывания колбы с взвесью при подъеме ловушки.
Технический результат достигается тем, что седиментационная ловушка, содержит цилиндрический стакан, в верхней части соединенный шнуром с поплавком, а в нижней части снабженный балластным грузом.
Согласно полезной модели цилиндрический стакан снабжен откидной крышкой в форме закрытой воронки, выполненной с возможностью закрывания при подъеме и открывания при погружении, для чего на одном краю откидной крышки закреплено грузило, напротив которого на другом краю откидной крышки для ее закрывания закреплен один конец шнура, который пропущен через отверстие в верхней части цилиндрического стакана, другой конец этого шнура соединен с поплавком, а к нижней части откидной крышки закреплен один конец резинового шнура, который проходит через фиксирующий паз, выполненный напротив отверстия в стенке верхней части цилиндрического стакана для размещения закрывающего откидную крышку шнура, другой конец резинового шнура герметично закреплен в центре основания цилиндрического стакана, при этом масса грузила выбрана из условия уравновешивания силы натяжения резинового шнура.
В частном случае выполнения:
- цилиндрический стакан и откидная крышка выполнены из прозрачного пластика;
- диаметр цилиндрического стакана составляет 150 мм;
- масса грузила составляет 30 г;
- масса балластного груза составляет 500 г.;
- шнур для закрывания откидной крышки выполнен из капрона.
Полезная модель поясняется чертежами (фигуры 1-3).
На фиг. 1 представлен схематический чертеж седиментационной ловушки, вид сбоку.
Фиг. 2 - седиментационная ловушка с открытой крышкой, вид сбоку.
Фиг. 3 - откидная крышка, вид сбоку.
Таблица Сравнительные характеристики эффективности накопления взвеси седиментационной ловушкой без откидной крышки и заявляемой полезной модели.
Седиментационная ловушка (фиг. 1) содержит цилиндрический стакан 1 из прозрачного пластика, который соединен с поплавком 2 шнурами 3, 4, нижние концы которых закреплены болтами 5,6 с цилиндрическим стаканом 1 в верхней его части, балластный груз 7 массой 500 г, герметично закрепленный болтами 8, 9 на внешней стороне основания цилиндрического стакана 1, который снабжен откидной крышкой 10 в форме закрытой воронки (фиг. 2, 3). На внешней стороне верхней части откидной крышки 10 закреплено грузило 11 массой 30 г болтом 12, а напротив грузила 11 на внешней стороне верхней части откидной крышки 10 закреплен болтом 13 один конец капронового шнура 14, пропущенный через отверстие 15 в верхней части цилиндрического стакана 1. Другой конец капронового шнура 14 соединен с поплавком 2. К нижней части откидной крышки 10 болтом 16 закреплен один конец резинового шнура 17, который проходит через фиксирующий паз 18, выполненный в стенке верхней части цилиндрического стакана 1. Другой конец резинового шнура 17 герметично соединен болтом 19 в центре основания цилиндрического стакана 1. (фиг. 1, 2, 3). В рабочем положении сила натяжения резинового шнура 17 уравновешивается силой тяжести грузила 11, в результате чего крышка остается открытой (фиг. 2).
Седиментационную ловушку с открытой крышкой 10 осторожно опускают на шнурах 3, 4 на дно исследуемого водного объекта, глубиной 1-5 м (фиг. 2). На поверхности водного объекта длину шнуров 3, 4, предназначенных для спуска/подъема устройства, и закрывающего откидную крышку шнура 14, регулируют с помощью поплавка 2, на который наматываются и фиксируются на нужной длине подъемные шнуры 3, 4 и закрывающий откидную крышку капроновый шнур 14. Через заданное программой исследования время, закрывающий откидную крышку шнур 14 натягивают, вследствие чего под воздействием силы натяжения резинового шнура 17 откидная крышка 10 закрывается. Далее закрытое устройство поднимают на подъемных шнурах 3, 4 и транспортируют в лабораторию для изучения вещества, осевшего на единицу площади дна седиментационной ловушки.
2
Использование цилиндрического стакана с откидной крышкой, выполненной с возможностью ее закрывания при подъеме ловушки полностью исключает вымывание осажденного материала при подъеме ловушки, что помимо повышения достоверности последующего анализа позволяет уменьшить соотношение ширины (диаметра) к высоте ловушки с 1:3 (как в ловушках без крышки) до 1:2, что обеспечивает возможность ее использования на меньших глубинах, а также позволяет увеличить диаметр цилиндрического стакана и, как следствие, скорость накопления взвеси, как это показано в таблице. Согласно исследованиям /11/ величины вертикальных седиментационных потоков в относительно неглубоком Можайском водохранилище варьирует от 33 до 170 г/м сутки, следовательно, чтобы накопить 1 г взвеси, что равно минимальному количеству, которое необходимо для последующих вещественно-минералогических, микробиологических, химических и других видов анализа в ловушке, диаметр которой составляет 50 мм потребуется от 3 до 15 суток в то же время при диаметре ловушки 150 мм потребуется 0,3-1,5 суток, при 200 мм - 0,2-1,0 суток, при 250 мм - 0,1-0,6 суток. Однако увеличение диаметра приводит к необходимости увеличения высоты ловушки с откидной крышкой в соотношении 1:2, при этом достоверность результатов будет обеспечена при глубине водного объекта в месте установки ловушки, по крайней мере, в 3 раза превышающей высоту ловушки.
Заявляемая седиментационная ловушка имеет простую конструкцию и удобна в эксплуатации, так как обслуживается только одна широкая емкость, вместо трех узких, как у прототипа, которая обеспечивает повышение скорости накопления осадка и уменьшение исследуемой глубины водотока до 0,3 м. при исключении вымывания взвеси из ловушки.
Изготовлен экспериментальный образец, который успешно используется при проведении научных исследований в мелководных зонах водоемов и водотоков Азово-Черноморского бассейна и мезокосменных экспериментах.
Источники информации:
1. RU 2119151 C1, G01N 1/10, опубл. 20.09.1998.
2. RU 113002 U1, G01N 1/10, опубл. 27.01.2012.
3. RU 149987 U1, G01N 1/10, опубл. 27.01.2015.
4. CN 103039411 (A), A01K 80/00, CN 2013103100 20130105. Sediment trapping device suitable for shallow-sea soft seabed. - прототип.
5. RU 120776 U1, G01N 33/18, опубл. 27.09.2012.
6. RU 127471 U1, G01N 33/18, опубл. 27.04.2013.
7. Русаков В.Ю., Лукашин B.H., Буровкин А.А. Седиментационная ловушка для кратковременных исследований вертикальных потоков вещества в океане // Океанология. 1996. Т. 36, №5. С. 798-800.
8. Gardner W.D. The effect of tilt on sediment trap efficiency // Deep-Sea Res. 1985. V. 32. №3. P. 349-361.
9. Lau YL. Laboratory Stydi of Cylindrical Sedimentation Traps // J. Fish. Res. Board Can. 1979. V. 36. P. 1288-1291.
10. White J. The Use of Sediment Traps in High-Energy Environments // Mar. Geophys. Res. 1990. V. 12. P. 145-152.
11. Кременецкая E.P., Законнов B.B., Ломова Д.В., Соколов Д.И. Структура внутриводоемных потоков взвешенных и органических веществ в Можайском водохранилище // Географический вестник. №3 (26). 2013. С. 37-48.