СПОСОБ НЕПРЕРЫВНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ МИНЕРАЛЬНОЙ ВЗВЕСИ В ПРИДОННОМ СЛОЕ МОРЯ В ЗОНЕ ИНТЕНСИВНОГО ВОЛНЕНИЯ
METHOD OF CONTINUOUS DETERMINATION OF MINERAL SUSPENSION CONCENTRATION IN BOTTOM LAYER OF THE SEA IN ZONE OF INTENSIVE DISTURBANCE

Изобретение относится к измерительной технике, преимущественно предназначено для океанографических исследований прибрежных районов шельфа в зоне больших средних и мгновенных скоростей турбулентного потока и может быть использовано, в том числе, для решения задач прибрежной инженерии и контроля экологического состояния открытых водоемов.
Получение результативных количественных данных о процессах седиментации и транспорта взвешенного материала донных осадков in situ является ключевой проблемой при решении широкого круга научных и прикладных задач, включая прогноз эрозии береговой линии и дна, изыскательские работы при строительстве гидротехнических сооружений и прокладке судоходных фарватеров, добыча стройматериалов в прибрежной зоне, контроль экологического состояния морской среды, водных ресурсов, заиливания рек и каналов и др.
Известны несколько традиционных методов определения концентрации минеральной взвеси в различных открытых водоемах.
При прямом методе осуществляют взятие пробы воды с взвешенными частицами или их накопление с помощью пробоотборника (или нескольких пробоотборников) непосредственно в водоеме. В источнике известности [Measuring flow velocity and sediment transport with an acoustic Doppler current profiler, Ray Kostaschuk, Jim Best, Paul Villard, Jeff Peakall, Mark Franklin. Department of Geography, University of Guelph, Guelph, Ontario, Canada NIG 2W1, Earth and Biosphere Institute, School of Earth Sciences, University of Leeds, Leeds, LS2 9JT, West Yorkshire, United Kingdom: www.elsevier.com/locate/geomorph] показано (это также приведено на фиг. 1), как операторы, два водолаза, после поднятия из воды донной стойки с закрепленными на ней накопительными стаканами отбирают из стаканов пробы взвеси для последующего лабораторного анализа. В ходе лабораторных исследований определяют количество минеральной взвеси и другие, интересующие исследователя характеристики пробы, включая разделение на органическую и минеральную компоненты взвеси. Кроме накопительных стаканов, для забора пробы взвеси используют и другие виды пробоотборников, например ручной подвесной пробоотборник (батометр) [Dynamical Processes In the Sea Nearshore Zone, Moscow, Scientific World 2003, Edited by Prof. R.D. Kos′yan (SB SIO RAS), Dr. I.S. Podymov (SB SIO RAS), Dr. N.V. Pykhov (SIO RAS), стр. 55. GEO SCIENTIFIC LTD. 2628 Granville Street # 247 Vancouver, British Columbia, Canada V6H 4B4: http://www.geoscientific.com/sampling/index.html] (он представлен на левом верхнем рисунке фиг. 2), или донный пробоотборник [Center for Coastal Monitoring and Assessment http://ccma.nos.noaa.gov/ecosystems/coralreef/guanica.aspx], обслуживаемый оператором-водолазом (он представлен на левом нижнем рисунке фиг. 2).
Такой традиционный прямой способ получения характеристик взвеси позволяет определить наиболее полный набор ее свойств, но сопряжен с большими трудозатратами и не обеспечивает получения развертки во времени информации о характеристиках взвеси. Способ не предназначен для решения задачи непрерывного определения характеристик минеральной взвеси в зоне интенсивного морского волнения, поэтому он не может рассматриваться как аналог заявляемого изобретения.
Другие, более современные пробоотборники (ловушки взвеси) [Time series sediment trap, NEPTUNE Canada University of Victoria, http://www.gophoto.it/view.php?i:=http://www.neptunecanada.com/dotAsset/15605.jpg#.UIlv8Gfe6t8] (эта ловушка приведена на правом рисунке фиг. 2), обеспечивающие отбор проб последовательно во времени, имеют большие габаритные размеры и вносят значительные гидродинамические возмущения в исследуемую среду, что влияет на результаты определения характеристик взвеси (в основном, размерного состава и концентрации). Из-за больших габаритов такие пробоотборники не могут обеспечить взятия пробы непосредственно в придонном слое моря (первые десятки сантиметров), где перемещается основная масса взвешенного минерального вещества, и тем более в зоне обрушения волн, где конструктивные элементы устройства испытывают огромные гидродинамические нагрузки. Кроме того, такое взятие или накопление проб непосредственно в водоеме не обеспечивают получения оперативной информации о свойствах взвеси. То есть способ, основанный на использовании такой ловушки взвеси, также не предназначен для решения задачи, поставленной заявляемым изобретением, поэтому он также не может рассматриваться как аналог.
Определение концентрации взвеси и других, интересующих исследователя характеристик взвеси, может быть осуществлено опосредованным путем - методом первоначального определения каких-либо других, вспомогательных (косвенных) параметров исследуемой водной среды с взвесью (мутности, электропроводности, поглощения электромагнитного (рентгеновского, радиоактивного) или акустического излучения и т.п.), по которым определяют требуемые параметры взвеси. Такие методы, основанные на определении (in situ) вспомогательных параметров исследуемой водной среды с взвесью, не искажают динамику исследуемой среды, обладают большим быстродействием, могут обеспечить поступление информации в режиме «реального времени», однако обязательно должны опираться на калибровку по пробам взвеси, взятым традиционным прямым методом, для учета свойств взвеси, влияющих на вспомогательные (косвенные) параметры.
Концентрацию и размерный состав взвеси можно определить и методом обработки фотоизображений взвешенного в воде вещества. Этот метод имеет меньшее быстродействие, чем определение по вспомогательным параметрам, и обладает более значительной методической погрешность определения этих характеристик.
Последние два метода имеют общие недостатки - не очень высокая эффективность измерений или даже полная потеря работоспособности (пропуски измерений) в зоне интенсивного волнения с образованием большого количества воздушных пузырьков, с высокими значениями средних и мгновенных скоростей турбулентного потока, а следовательно, и высокой концентрации взвешенного донного материала, что влечет за собой большое затухание зондирующего излучения (электромагнитного или акустического). Для иллюстрации этого явления приводим работу [Measuring flow velocity and sediment transport with an acoustic Doppler current profiler, Ray Kostaschuk, Jim Best, Paul Villard, Jeff Peakall, Mark Franklin. Department of Geography, University of Guelph, Guelph, Ontario, Canada N1G 2W1, Earth and Biosphere Institute, School of Earth Sciences, University of Leeds, Leeds, LS2 9JT, West Yorkshire, United Kingdom: www.elsevier.com/locate/geomorph] (фиг. 3), где при описании косвенного (акустического) метода указано следующее: «Фиг. 3 показывает временной ряд значений горизонтальной скорости потока и скорости перемещения донных наносов (усреднение Τ=5s), измеренных акустическим профилографом SonTek 1500 kHz ADCP, поставленного на якорь по гребню большой дюны в Canoe Pass. Периоды плохого отслеживания дна присутствовали в это время и во всех других рядах, вероятно, из-за высоких концентраций взвешенного песка, что привело к фрагментированной записи скорости перемещения донных (т.е. влекомых, в отличие от взвешенных, - пояснение автора заявляемого изобретения) наносов. При более низких скоростях потока запись была более непрерывной, однако на самые высокие измеренные скорости перемещения донных наносов (фиг. 3), вероятно, оказывает влияние транспорт взвешенного песка, вместо того чтобы отразить скорость перемещения истинных донных наносов». (Эти сбои проиллюстрированы на фиг. 3 - красными стрелками показаны пропущенные А в зоне обрушения волн с образованием больших воздушных полостей, т.е. при «разрыве» исследуемой водной среды (когда датчик может попадать из воды в воздух и обратно), при использовании таких косвенных методов также образуются пропуски измерений).
Кроме того, эти методы не предусматривают взятия проб исследуемого вещества, на основании которых может быть выполнен последующий всесторонний лабораторный анализ свойств взвеси.
Именно из-за пропусков измерений эти способы не решают задачи получения непрерывной развертки во времени значений концентрации минеральной взвеси в придонном слое открытого водоема в зоне интенсивного волнения или обрушения волн, поэтому такие способы также не могут рассматриваться в качестве аналогов заявляемого изобретения.
Аналогов предлагаемого изобретения заявителем не обнаружено.
В основу изобретения поставлена задача создания принципиально нового способа определения концентрации минеральной взвеси в придонном слое моря в зоне интенсивного волнения, совокупностью существенных признаков которого обеспечивается новое техническое свойство - обеспечение возможности непрерывного, в пределах заданного цикла, измерения концентрации взвеси и корректировки, на основании лабораторного определения количества накопленной взвеси, данных, полученных в результате измерений.
Указанное новое свойство обеспечивает достижение технического результата изобретения - определение с высокой точностью концентрации минеральной взвеси в придонном слое моря в зоне интенсивного волнения, и получение информации в реальном масштабе времени. Другим техническим результатом, при использовании в измерительном устройстве не менее трех установленных на разных заданных горизонтах пробоотборников, является возможность определения вертикального распределения концентрации взвеси, без которого невозможно оценить потоки переносимой минеральной взвеси, влияющие на деформации береговой линии и морского дна.
Дополнительным техническим результатом является возможность последующего лабораторного определения других, интересующих исследователя характеристик взвеси, накопленной за цикл измерений.
Поставленная задача решается тем, что используют измерительное устройство, содержащее, по крайней мере, один установленный на заданном горизонте моря пробоотборник взвеси в виде накопительного стакана, снабженного датчиком, с помощью которого определяют количество взвеси в накопительном стакане, производят обработку выходных сигналов датчика, по ее результатам определяют производную по времени количества накопленной взвеси и получают текущие значения концентрации взвеси, которые или регистрируют в долговременной памяти измерительного устройства, или передают по линии связи в реальном масштабе времени, по окончании цикла измерений извлекают из пробоотборника накопленную взвесь и подвергают ее всестороннему лабораторному анализу, в том числе определяют значения количества накопленной взвеси, и с использованием этих значений корректируют данные, полученные в результате цикла измерений.
Новым является также то, что пробоотборник выполнен в виде цилиндрического стакана, снабженного поршнем, и имеет шкалу, которую можно нанести на цилиндрическую поверхность стакана или на поршень. Это обеспечивает достижение еще одного дополнительного технического результата изобретения - возможность разделить отобранную пробу взвеси на отдельные фрагменты, тем самым привязать их ко времени измерений (синхронизовать), что позволяет получить более дробный анализ других свойств взвеси, не определяемых в процессе измерений.
Заявленный способ характеризуется следующей последовательностью действий и применяемыми при этом техническими средствами:
- используют измерительное устройство, содержащее по крайней мере один пробоотборник взвеси в виде накопительного стакана, предназначенного для осаждения и накопления в нем минеральных частиц взвешенного (взмученного) вещества донных наносов, вследствие превышения удельного веса этих минеральных частиц над удельным весом воды;
- накопительный стакан снабжен датчиком, на выходе которого образуется сигнал, пропорциональный количеству накопленной взвеси;
- накопительный стакан устанавливают на заданном горизонте моря;
- определяют количество накопленной взвеси (одним из методов: по электрической проводимости столба накопленной взвеси или скорости распространения звука в нем, по весу накопленной взвеси, по высоте столба взвеси), которое представляется, в зависимости от используемого датчика, в виде, например, напряжения постоянного или переменного тока;
- полученный выходной сигнал датчика, пропорциональный количеству накопленной взвеси, преобразуется блоком обработки в какой-либо нормированный сигнал, например, напряжения постоянного тока с диапазоном 0-5 В, пропорциональный количеству накопленной взвеси, и подается на вход аналого-цифрового преобразователя, работающего под управлением системного контроллера;
- системный котроллер регистрирует количество накопленной взвеси, вычисляет и регистрирует его производную по времени, пропорциональную концентрации взвеси;
- данные о количестве накопленной взвеси и текущие значения концентрации взвеси регистрируются в долговременной памяти измерительного устройства или передаются по линии связи в реальном масштабе времени;
- по окончании заданного цикла измерений из накопительного стакана извлекают пробу взвеси для всестороннего лабораторного исследования;
- извлечение накопленной взвеси из пробоотборника осуществляют плавным перемещением поршня и, используя шкалу пробоотборника, разделяют пробу на отдельные фрагменты, которые тем самым будут привязаны ко времени измерений;
- в ходе лабораторных исследований, во-первых, определяют значения количества накопленной взвеси и с использованием этих значений корректируют данные, полученные в результате цикла измерений;
- во-вторых, определяют другие, интересующие исследователя, свойства накопленной взвеси.
Сущность заявленного способа поясняется на конкретном примере его осуществления - с помощью устройства, базирующегося на измерении электрической проводимости накопленной взвеси. Этот вариант реализации способа успешно прошел апробацию в рамках проведенных заявителем, Морским гидрофизическим институтом, натурных испытаний на юго-восточной оконечности острова Коса Тузла разработанного заявителем комплекса «Донная станция» [Дыкман В.З., Иванов В.А., Кушнир В.М. Нелинейные волны и турбулентность в прибрежной зоне о. Коса Тузла // Морской гидрофизический журнал. - 2012. - №4. - С. 3-21].
Способ осуществляют следующим образом.
Комплекс «Донная станция» включает ряд измерительных устройств (модулей), в том числе модуль, содержащий три установленные на разных заданных горизонтах сборника (пробоотборника) взвеси. Такой модуль позволяет определять как концентрацию взвеси на каждом горизонте, так и очень важную характеристику - вертикальное распределение концентрации взвеси, что дает возможность вычислить потоки взвешенного вещества донных наносов и оценить деформации морского дна и береговой линии.
Комплекс «Донная станция» [Дыкман В.З., Иванов В.А., Кушнир В.М. Нелинейные волны и турбулентность в прибрежной зоне о. Коса Тузла // Морской гидрофизический журнал. - 2012. - №4. - С. 3-21] (он представлен также на фиг. 4) содержит: 1 - модуль измерения пульсаций трех компонент вектора скорости течения, температуры и электропроводности воды, виброускорений по трем осям, крен-дифферента, азимутального угла, гидростатического давления; 2, 3, 4, - три сборника взвеси; 5 - блок обработки сборников взвеси; 6 - измеритель коэффициента ослабления направленного света (лазерный прозрачномер); 7 - центральный модуль (питание, связь).
Сборники взвеси представляют собой малогабаритные накопительные стаканы в виде цилиндра (диаметром ~40 мм и высотой ~100 мм) с крышкой, снабженной отверстиями, в котором оседают и накапливаются минеральные частицы взвеси и случайно попавшие органические. Каждый стакан закреплен на раме измерительного устройства и в рабочем положении находится на заданном горизонте моря. Накопительный стакан снабжен датчиком с системой из трех электродов, связанным с блоком обработки, определяющим проводимость воды вне накопительного стакана и внутри его. Эта система из трех электродов вместе с питающим трансформатором образуют неуравновешенный измерительный мост, на выходе которого образуется сигнал, пропорциональный количеству накопленной взвеси, в виде напряжения переменного тока, с исключением влияния электрической проводимости морской среды (воды).
Для уменьшения гидродинамического сопротивления среды и приближения точки измерения к придонной области моря датчик с системой электродов, выполненный в виде малогабаритной конструкции, размещен на нужном горизонте вблизи дна, а блок обработки удален от точки измерения - датчик соединен с ним посредством кабеля.
В процессе измерений сигнал, поступающий по кабелю, усиливается до необходимого уровня, а затем выпрямляется синхронным детектором блока обработки, устраняющим паразитную квадратурную составляющую сигнала и повышающим помехозащищенность измерительного тракта. Выходной нормированный сигнал в виде напряжения постоянного тока с диапазоном 0-5 B, пропорциональный количеству накопленной взвеси, подается на вход аналого-цифрового преобразователя, работающего под управлением системного контроллера. Системный котроллер регистрирует в цифровом виде количество накопленной взвеси, вычисляет и регистрирует его производную по времени, пропорциональную концентрации взвеси.
Текущие данные о количестве накопленной взвеси и вычисленные значения концентрации взвеси в цифровом виде передают по линии связи в реальном масштабе времени на береговой пункт приема.
По окончании заданного цикла измерений извлекают из воды измерительный комплекс «Донная станция», опорожняют сборники взвеси от содержимого и передают его для всестороннего лабораторного исследования.
Заявленное специальное исполнение пробоотборника (в виде цилиндра со встроенным поршнем и оснащение его шкалой) позволяет применить известный в технике геологических исследований прием - извлечение и разделение отобранной пробы на отдельные фрагменты. Например, известен поршневой грунтонос конструкции Белдорнии для отбора проб слабых грунтов [Поршневой грунтонос конструкции Белдорнии для отбора проб слабых грунтов: http://www.complexdoc.ru/ntdpdf/542857/metodicheskie_ukazaniya_ро_inzhenerno-geologicheskomu_obsledovaniyu_bolot.pdf] (он представлен на фиг. 5). После поднятия этого грунтоноса поршнем выдавливают содержимое. Осторожно, чтобы не нарушить естественную структуру грунта, разрезают его ножом и отправляют полученные фрагменты для исследования в лабораторию.
В заявленном изобретении для извлечения из пробоотборника накопленной взвеси осуществляют ее плавное выдавливание поршнем и, используя шкалу (в данном случае шкала нанесена на штоке, перемещающем поршень), разделяют пробу на отдельные фрагменты, привязывая, таким образом, их ко времени измерений, чтобы получить более дробный анализ других свойств взвеси, не определяемых в процессе измерений.
По результатам лабораторного анализа, во-первых, определяют значения количества накопленной взвеси и, с использованием этих значений, корректируют данные, полученные в результате всего цикла измерений. Во-вторых, определяют другие, интересующие исследователя свойства накопленной взвеси, например вид взвеси - органика или минеральная, физические свойства и размерный состав частиц взвеси, химический состав, анализ на содержание общего органического углерода и пестицидов, и т.д.