Система усредненного отбора пробы воды из контрольного створа для автоматизированного контроля качества поверхностных водотоков
SYSTEM OF AVERAGED SAMPLING OF WATER FROM THE CONTROL GATE FOR AUTOMATED QUALITY CONTROL OF SURFACE WATERCOURSES

Изобретение относится к области охраны окружающей среды, а именно, организации системы пробоотбора воды из поверхностных объектов с целью непрерывной регистрации концентрации загрязняющих веществ в водотоке.
Известно устройство для автоматического отбора усредненной пробы воды из поверхностных водных объектов на основе центробежного насоса, установленного в герметичный корпус. (Пат 2126146 Россия, МПК G01N 1/14 (1995.01) Устройство для отбора проб воды/ Тапио Сааренкето Ой (FI). - №95116286/25; заявлено 31.12.1993, опубликовано 10.02.1999).
Недостатком этого устройства является точечный отбор пробы, не позволяющий получить адекватную оценку концентрации загрязняющих веществ по всему контрольному створу. Кроме того, питание центробежного насоса осуществляется с помощью аккумулятора на 12 В, что требует постоянного обслуживания данного устройства.
Известны пневматические устройства для отбора проб воды: 1) состоит из вертикально смонтированной воздушно-жидкостной камеры с поршнем, жидкостной камеры с входным и выходным клапанами, приемной емкости, источника подачи сжатого воздуха, воздухопровода для подачи сжатого воздуха в воздушно-жидкостную камеру и регулятора давления (Пат 2045011 Россия, МПК G01N 1/10 (1995.01) Установка для отбора проб жидкости/ В.И. Романов, Е.В. Погребняк, А.В. Романов (UA) - №5045452/05; заявлено 06.03.1992); 2) представляет собой корпус в виде цилиндра с поршнем, разделенный перегородкой на вакуумную камеру и приемную камеру с пробозаборной трубой, и пневмопривод, соединенный с пневмогенератором (Пат 675338 СССР, МПК G01N 1/10 2006.01) Устройство для отбора средней пробы сточных вод/ Ротенберг А.И., Давыдов Ю.И., Ванюшин А.П. - №2199998/25-26; заявлено 02.12.1975).
Известен мобильный робототехнический комплекс для отбора проб на водоемах и водотоках. Преимущество устройства заключается в автоматизированном получении пробы воды на заданной глубине. Система позволяет проводить отбор пробы с требуемой периодичностью. (Пат 2726837 Россия, (51) МПК В63В 35/00 (2006.01) G01N 1/02 (2006.01) Мобильный робототехнический комплекс и способ его применения для отбора проб на водоемах и водотоках/ Ю.С. Ройтбург (Россия). - №2019127169; заявлено, 27.08.2019, опубликовано 15.07.2020, бюл. №20.)
Недостатком этих устройств является то, что они осуществляют отбор пробы точечно. Системы пробоотбора не учитывают изменение концентрации загрязняющих веществ по всему контрольному створу, а именно, по глубине и ширине водотока.
Предполагаемое изобретение решает техническую задачу - непрерывный отбор пробы с целью получения репрезентативной оценки качества воды поверхностных водных объектов в контрольном створе. Устройство предполагает установку на элементах транспортной инфраструктуры (автомобильных, железнодорожных и др. мостах).
Поставленная задача достигается тем, что система усредненного отбора пробы воды из контрольного створа поверхностных водных объектов для автоматизированного контроля качества поверхностных водотоков, предполагающая установку на мосту, представляет собой сложный трубопровод, подключенный к системе автоматизированного контроля качества, состоящий из магистрального трубопровода, который состоит из соединенных трубопроводов, диаметр которых увеличивается по мере удаления от системы автоматизированного контроля, и трубопроводов-ответвлений, количество которых определяется количеством опор моста и имеющих отверстия, причем, диаметр каждого последующего отверстия увеличивается с увеличением расстояния от места соединения с магистральным трубопроводом.
В техническом решении применена технология равновзвешенного компаундирования речной воды, которая заключается в смешивании потоков воды, поступающей со сложного трубопровода, состоящего из заданного количества труб различной длины и толщины.
На фиг.1 представлена схема расположения системы пробоотбора на мосту, на фиг.2 представлена схема разветвления трубопроводов системы пробоотбора, на фиг.3 представлена схема разветвления магистрального трубопровода 1, на фиг.4 представлена схема изменения скорости движения жидкости по сложному трубопроводу системы пробоотбора.
Разработанная система пробоотбора основана на сложной разветвленной трубопроводной сети. Система предполагает установку на мосту (фиг.1).
1
n
1
n
1
2
n
1
n
1
n
1
n
1
n
1
2
n
л
м
Одной из составных частей системы пробоотбора является магистральный трубопровод 1. Он представляет собой усредняющий коллектор. По магистральному трубопроводу поток воды нагнетается насосом. Магистральный трубопровод 1 технологически состоит из n соединенных труб 1…1 (фиг.2, 3) разного диаметра D1 … D1. Причем, D1 < D1 < … <D1. На каждой из частей 1…1 имеется трубопровод-ответвление 2, …, 2, соответственно. Количество трубопроводов-ответвлений и расстояние между ними определяются количеством опор моста и расстоянием между ними. Диаметры d2, …, d2 трубопроводов-ответвлений 2, …, 2 одинаковы (d2=d2= … =d2). Поэтапное изменение диаметра магистрального трубопровода 1 после очередного ответвления необходимо с целью компенсации сил линейного гидравлического сопротивления h и местной потери напора h.
1
n
1
1
2
m
1
2
m
1
n
1
n
1
2
m
1
1
2
m
2
n
1
Трубопроводы-ответвления 2, …, 2 имеют одинаковую длину и диаметр (фиг.2, 3, 4). В трубопроводе-ответвлении 2 имеются отверстия диаметром D22, D22, …, D22. Причем, D22 < D22< … <D22. С целью компенсации линейного сопротивления трубопровода диаметры отверстий увеличиваются по мере удаления от места соединения трубопроводов-ответвлений 2, …, 2 с магистральным трубопроводом 1. Трубопроводы-ответвления 2, …, 2 располагаются на соответствующих расстояниях друг от друга, определенных проектом. Их строение аналогично трубопроводу-ответвлению 1. Через каждое отверстие диаметра D22, D22, …, D22 трубопровода-ответвления 2 поступает вода с расходом Q22, Q22, …, Q22. Подача воды из трубопроводов-ответвлений 2, …, 2 в магистральный трубопровод 1 организована таким же образом, как и в трубопроводе-ответвлении 2 (фиг.2).
При работе насоса, установленного в помещении станции контроля поверхностного водного объекта (ПВО), обеспечивается забор воды водотока из представленной системы. Результатом действия насоса является установление напорного движения жидкости, при этом ее движение является неравномерным вследствие изменения сечения трубы по длине магистрали. Вместе с тем, движение является установившимся.
1
n
Одной из целевых задач разрабатываемого пробоотборного устройства является получение усредненной пробы. На входе устройства контроля будет регистрироваться среднее значение концентрации загрязняющего вещества по всему створу водотока в случае, если расход воды Q1 … Q1 в каждом сечении магистрального трубопровода 1 является постоянным:
n
3
где  - расход воды в сечении трубопровода-ответвления 1 магистрального трубопровода 1, м/с.
Из (1) следует, что:
n
где  - скорость движения воды в сечении трубопровода-ответвления 1 магистрального трубопровода 1, м/с;
n
2
площадь сечения трубопровода-ответвления 1 магистрального трубопровода 1, м.
Таким образом,
Однако, вследствие действия сил гидравлических сопротивлений, с увеличением длины магистрального трубопровода увеличиваются потери напора, следовательно:
1
2
3
Таким образом, в точках 3, 3, 3 (фиг.4) скорости движения жидкости различны:
Причиной уменьшения скорости движения жидкости являются потери напора вследствие силы трения (формула 2) и местных сопротивлений, связанных с разветвлением магистрального трубопровода 1. Таким образом, полная потеря напора будет равна
где  - линейное сопротивление i трубопровода,
- местное сопротивление i трубопровода.
Линейное сопротивление i трубопровода равно:
где  - коэффициент гидравлического трения i трубопровода,
- длина i трубопровода, м,
- диаметр i трубопровод, м,
- скорость течения воды по i трубопроводу, м/с.
Местное сопротивление рассчитывается по формуле:
где  - коэффициент местного сопротивления i трубопровода.
Коэффициенты гидравлического сопротивления на длинном гидравлически гладком трубопроводе можно считать постоянными на протяжении всего магистрального трубопровода 1, и
1
n
В результате работы системы, через каждое отверстие трубопроводов-ответвлений 2…2 в магистральный трубопровод 1 поступает различное одинаковое количество воды вследствие сил сопротивления. Поэтому, с целью компенсации линейных и местных сопротивлений предлагается магистральный трубопровод 1 выполнять из соединенных трубопроводов различного диаметра. Причем, диаметр трубы увеличивается по мере удаления от системы автоматизированного контроля. В связи с этим, через некоторое время после включения системы и ее стабилизации на входе автоматизированной системы измерения качества воды (фиг.1) поступает усредненная проба воды водотока.
n
Из формул 1, 2, 3 следует, что конструкционное решение проблемы получения средней концентрации загрязняющего вещества возможно лишь при поэтапном изменении диаметра D1 магистрального трубопровода 1. А именно, расчет диаметра каждой последующей трубы должен быть пропорционален длине трубопровода от насоса до заданного ответвления.
После получения осредненной пробы воды, находящиеся в интегрирующем коллекторе, она поступает на измерительный блок системы автоматизированного контроля поверхностного водного объекта, где проводится анализ основных эмитентов и передача полученных результатов в центр обработки информации.
С целью получения осредненной оценки концентрации загрязняющего вещества по всему створу приборами контроля необходимо, чтобы расход через все сечения магистрального трубопровода 1 были равны.
1
n
С целью получения репрезентативной оценки качества водотока система пробоотбора для каждой отдельной конъюнктуры должен быть индивидуальной, а именно, схема изменения размера магистрального трубопровода 1, количество и формоизменение трубопроводов-ответвлений 2, … 2.