МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА

 

 
«РОЛЬ ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА СЕЛЬСКИХ ТЕРРИТОРИЙ В ОБЕСПЕЧЕНИИ УСТОЙЧИВОГО РАЗВИТИЯ АПК»
 
(МАТЕРИАЛЫ МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ)
 
Москва 2007


УДК 532.543
К вопросу о разработке фотометрического экспресс-метода качественного определения изменения мутности по
длине водотока

А.А. Ерхов
ФГОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства»,
г. Москва, Россия

In article the opportunity by a method of the express train - analysis qualitatively is defining change muddy on length of a water-current. As a basis of a method known methods of measurement of light exposure serve. Thus the task of definition muddy is reduced to definition of factor omission the environments, describing density of the weighed deposits in a water stream.

Поток в любом естественном русле обычно турбулезован. Степень турбулентности различна, известно, какими факторами определяется и через какие коэффициенты турбулентности выражается. Различные теории турбулентности вводят понятия силы турбулентного трения, модуля турбулентного касательного, вязкостного напряжений, кинематической турбулентной вязкости, устанавливают масштабы напряжений.

Знание об изменении турбулентных характеристик по длине потока важно по ряду причин. В зоне повышенной турбулентности выше промыв у дна, а, значит, больше оснований, например, рекомендовать расположение здесь донных водоприемников, и, напротив, в отказе прокладки транспортных трубопроводов.
Напрямую с турбулентностью связана мутность потока.
По Великанову понятия мутности и расхода наносов применяется на каждом шагу, но их определения не являются достаточно четкими. Мутность (по Великанову) – это предел числа частиц в некотором произвольно взятом объеме, отнесенном к единице объема, но считая, что даже в самом малом объеме число частиц все же достаточно велико. Эквивалентным ей является понятие объем наносов в рыхлом теле; при этом наносы считаются состоящими и однородной фракции. Гидрометрическими методами мутность в точке определяется как объем взвешенных наносов в единице воды .
Дифференциальное уравнение изменения мутности во времени и пространстве в зависимости от скоростного поля имеет вид [1]


,                                       (1)


где  n – число, выражающее мутность в точке пространства – функция координат и времени;   A – гидравлический размер фракций.
Для построения целостной картины для какого-то конкретного гидравлического режима наиболее интересен случай, когда мутность не зависит от времени


                                                          (2)


Постоянная мутность, то есть не изменяющаяся во времени, в естественных условиях невозможна. Но здесь имеется ввиду случай, когда параметры потока во времени постоянны и мутность изменяется по длине.
Часто важны измерения взвешенных наносов вдоль водотока, то есть по продольному профилю, и для простоты следует ограничиться плоским (OxOy) движением. Тогда из (1) будем иметь


.                                             (3)


Освещенность с глубиной изменяется из-за изменения общей концентрации наносов, изменение которой обусловливается количеством возмущений, большим возле дна, и увеличением с глубиной плотности турбулентного обмена [2]


,                                                        (4)


где   M – объем внутри потока;  m – масса одного возмущения.
Отсюда местная концентрация  в зависимости от средних концентраций одного возмущения  pm  и остального объема потока pM


.                                                     (5)


Вертикальный профиль мутности по В.М. Маккавееву выражается формулой


,                                            (6)


где   p0 – концентрация у дна; все остальные обозначения общепринятые. В литературе широко представлены различные графические зависимости нормального распределения.
Потолок взвешивания представляет собой подвижную холмистую поверхность, и для твердых частиц нетурбулентного поведения определяется зависимостью


,                                                     (7)


где  j – отношение стандартной гидравлической крупности к действительной;   a – размер крупных возмущений, обеспечивающих гидротранспорт тяжелых фракций.

По ряду ранних данных [3] в большой паводок взвешенных веществ в потоке может быть в размере 0,07 объема, и, следовательно, вес воды будет составлять 1020 кг?м-3, но это предельное значение.

В литературе приводятся результаты исследования в Верхнем Рейне:
при скорости 0,7 м/c даже при искусственном взмучивании мелкие крупинки не начинают двигаться;
при 0,8 м/с при взмучивании начинается движение фракций до 0,005 м;
при 1,2 м/с мельчайшие фракции движутся сами по себе;
при 1,25 м/с движутся фракции ~ 0,005 м;
при 2 м/с движется все с сильным шумом.

Другие исследования (из тех же самых источников) дают:
при скорости 0,5 м/c движется ил и мелкий песок;
при 1,0 м/с движется песок средней крупности;
при 1,5 м/с движется глинистый или очень крупный песок;
при 2 м/с движется крупный гравий или твердая глина.

И с увеличением скорости все более крупные фракции начинают взмывать со дна.
Можно продолжить приведение подобных примеров, но понятно, что порядок в значениях скоростей и соотнесение их донным фракциям одинаков.

Существенна мутность горных и предгорных рек (> 2000 г/м3 и даже > 4000 г/м3), равнинных редко превышает 150 г/м3, а чаще < 50 [4].
Задачи по камеральной обработке проб наносов сводится главным образом определению фракционного состава.
Ранее были разработаны и аналитические методы определения мутности.
Широко известны формулы, по которым средняя мутность rм равна транспортирующей способности потока rт, и, например, по Е.А. Замарину зависит от гидравлической крупности наносов: при 0,0004 < w < 0,002 м/с , при 0,002 < w< 0,008 м/с , а по Б.В. Полякову от уклона , где a – эмпирический коэффициент, зависящий от водосборного бассейна и равный 0,5-10.

Итак, задача рассматривается в связи с образующими мутность взвешенными наносами.
Вследствие преломления света на поверхности воды частицы в потоке воспринимаются ближе, чем они есть в действительности, и при наличии посторонних включений в виде песчинок, образующих мутность, преломление света еще больше увеличивается, пропорционально уменьшая с глубиной силу света.

Эта пропорциональность освещенности и мутности требует аналитического решения.
В представленных выше и других формулах мутность определяется кинематическими характеристики и параметрами русла. Но как она связана с освещенностью, нигде не раскрывается. Однако такая функциональная связь должна существовать


.                                                            (8)


Ведь мутная среда характеризуется, прежде всего, рассеянием света, которое происходит на оптических неоднородностях /Мандельштам Л.И., 1907/, которыми в потоке являются твердые частицы. Даже в поверхностных слоях потока неоднородности распределены хаотично, поэтому с глубиной лучи не столько искривляются (рефракция), сколько ослабевают и взаимно поглощаются с изменением эффективного электромагнитного поля (процесс взаимного облучения имеет не только когерентную природу, возможно и многократное рассеяние). При этом допустимы и иные методы исследования мутности.

Задача исследования мутности состоит из двух частей: определяется поле, создаваемое одной песчинкой (и другими прочими), затем, суммируется действие всех частиц. Это общая сложная задача, и ее сводят к более простому случаю.
Необходимо вычислить четыре безразмерных параметра, как отношений размеров среди частиц к длине волны:


, , , ,                                     (9)


где    d – расстояние между песчинками внутри частицы; a – размер частицы;  l – расстояние между центрами частиц;   R – размер среды, и x1 < x2 < x3 < x4, а x1 << 1, x4 >> 1. Различные значения этих соотношений характеризуют различные физические свойства сред. При x3 >> 1 свет рассеивается однократно, при x3 < 1, а при x3 << 1 среду следует рассматривать как квазисплошное твердое, свет начинает интерферировать, при x2 << 1 происходит рэлеевское рассеяние, то есть то самое, когда солнечный свет проходит через атмосферу.
Несмотря на упрощение, задача сложна и требует расчета на ЭВМ.

В гидрометрической практике для определения мутности используются батометры разных конструкций. Эффективность этого устройства не слишком высока, а если учесть, что для отбора проб требуются бутылки, конечно, хотелось бы иметь метод более простой и эффективный.

Экспресс методы могут применяться, и желательны для быстрых качественных оценок каких-то закономерностей (хотя совершенство приборов могут давать и точные количественные показатели). Во всех областях деятельности разработано множество всевозможных оригинальных способов, основанных на прямых или косвенных связях конкретных физических величин.
Качество воды, в том числе осадок, можно оценивать не только методом взвешивания, но и по основным оптическим величинам.
Дело в том, что за последние годы произошли коренные изменения в квантовой оптике, связанной со статистикой фотонов и в спектроскопии оптического смешения. Описываемый ниже метод не имеет отношения к квантовой теории света и связан с волновой (электромагнитной) оптикой, в которой изучаются волны длиной от 0,38 до 0,77 мкм.

Теперь необходимо рассмотреть некоторые самые общие основы оптики воды.
Все разделы оптики имеют многочисленные применения, но для исследования потока важна только та ее часть, которая изучает геометрические свойства света.

Для оценок свойств среды используют множество различных коэффициентов, постоянных, показателей, углов, степеней и др.
Из всех физических величин важнейшими являются две оптические постоянные: показатели преломления и поглощения, поскольку они в то или иной мере влияют на значение освещенности.
Показатель преломления n – отношение скорости электромагнитного излучения в вакууме к скорости излучения в среде в зависимости от длины волны l, м/с, для дистиллированной воды при 293° К равен [из 5]  . Преломление изменяет телесный угол силы света, следовательно, изменяет освещенность.
Спектральный показатель поглощения c– уменьшение интенсивности излучения в чистой природной воде в результате поглощения . На поглощение влияет, прежде всего, мутность.
Под действием различных факторов внешней среды начинают проявляться и некоторые оптические эффекты: эффект Фарадея; эффект упругооптический; вынужденное рассеяние света. Они подробно рассмотрены в литературе.
Все это влияет на освещенность. Ниже устанавливается, что величина освещенности некоторой поверхности внутри потока обратно пропорциональна мутности, и по значению одной можно вывести другую.
Солнце – звезда, относимая к классу «желтый карлик», то есть испускаемый им свет ближе к желтому , а рассеянный свет, пропускаемый атмосферой – ближе к белому. Сложение цветов (аддитивный синтез) дает: Синий + Желтый = Белый . Но и вода имеет цветность, что изменяет еще больше и преломление, и поглощение в водном потоке.
Как уже говорилось, наша задача должна рассматриваться в рамках геометрической (лучевой) оптики. То есть следует исследовать световую энергию вдоль лучей, в совокупности образующую световую трубку – часть светового поля.
Путь, пройденный лучом в среде с изменяющимся показателем преломления n вдоль элемента ds, равен [6]


.                                                             (10)

При этом луч образует дугу кривизной траектории 1/R


,                                                         (11)


где   g – градиент показателя преломления в плоскости, равный ,       a – угол между вектором градиента и нормалью к траектории луча.


В воде бесконечно тонкий пучок лучей перестает быть гомоцентрическим и по мере возрастания угла отклонения возрастает продольная сферическая аберрация  и астигматизм  (где I, i? – углы падения луча перед и после преломления;  p – расстояние от источника до плоскости преломления). «Размывание» света, как было сказано, определяет распределение освещенности. Вынужденное рассеяние света в воде обусловливается тем, что в среде возникают акустические и молекулярные колебания с частотой W. Характерный сдвиг частоты W в чистой воде составляет 3651 см-1.
Освещенность элемента DS? световым потоком DF? равна


.                                                                   (12)


Поскольку фотоэлемент датчика имеет круглую форму световой поток можно выразить следующим образом


,                                                      (13)


где   L? – яркость лучей, прошедших заданный объем воды, то есть непосредственно регистрируемых фотоэлементом; зависит от яркости лучей L, падающих на этот объем, и определяется формулой


,                                                             (14)


где  t – коэффициент пропускания, определяемый мутностью потока;   d? – угол, образуемый пучком лучей, выходящим из источника и падающим на плоскость фотоэлемента; он равен


,                                                     (15)


где   r? – радиус фотоэлемента;  p? – расстояние от источника до фотоэлемента, то есть длина объема воды;  l? – расстояние  элемента DS? до оптической оси.
Яркость L  – плотность светового потока – из всех световых величин наиболее связана со зрительными ощущениями, поэтому легче всего без измерений определить, какой источник освещения следует использовать при измерении мутности: естественный или искусственный.
Естественная освещенность в зависимости от месяца года и дневного времени представлена в табл. 1 [7].

Таблица 1
Освещенность земной поверхности в люксах (lx).

Месяц

Час

5

7

9

11

13

15

17

19

21

Июнь

940

32000

46500

66500

74500

66500

43000

18000

870

Май –июль

 

380

 

14500

 

40500

 

59000

 

68000

 

59000

 

38000

 

13000

 

310

Апрель –август

 

90

 

7200

 

30000

 

48000

 

56000

 

50000

 

29000

 

6200

 

80

Март –сентябрь

 

-

 

940

 

18000

 

35000

 

43000

 

36500

 

17000

 

670

 

-

Февраль – октябрь

 

-

 

-

 

5300

 

19500

 

26000

 

19500

 

5300

 

-

 

-

Январь –ноябрь

 

-

 

-

 

1400

 

9000

 

14000

 

9400

 

1400

 

-

 

-

Декабрь

-

-

380

5900

9800

6200

260

-

-

Когда используется искусственный источник освещения, световой поток известен. Исходя из известного значения мощности лампы (любая лампа маркируется), световая отдача составляет 10-35 лм/Вт. Значения светового потока от некоторых осветительных ламп приведены в табл. 2.

Таблица 2
Световой поток от ламп в люменах (ln)

Тип

Г127-200
(Г220-200)

Г127-300 (Г220-300)

Г127-500 (Г220-500)

ЗК127-200 (ЗК220-200)

ЗК127-250 (ЗК220-250)

Свет

3200 (2920)

4950 (4600)

9100 (8300)

Тип

ЗК127-500-2
(ЗК220-500-2)

К110-300 (К127-300)

К110-500-2

Ф127-300 (Ф220-300)

Ф127-500
(Ф220-500)

Свет

6450

1100

8000

13650

Тип

КГ110-500 (КГМ110-500)

КГ110-1000 (КГМ110-1000)

ЛДЦ65-3 (ЛДЦ65-4)

ЛБ65-3 (ЛБ65-4)

ЛХБ65-3 (ЛХБ65-4)

Свет

13000

26000

2730 (3050)

4260 (4550)

3470 (3820)

Для измерения освещенности воды (создаваемой естественным светом, источник
которого должен находиться не произвольно, а всегда под заранее выбранным углом к фотоэлементу) можно применять, например, переносной фотоэлектрический люксметр Ю117. Этот прибор общепромышленного назначения применятся для контроля освещенности во всех отраслях народного хозяйства, а также для измерения в различных исследовательских организациях.

Измерения с помощью люксметра проводятся селеновым фотоэлементом (с ослабляющими насадками , если свет настолько ярок, что мутность его не ослабевает), который надежно гидроизолирован (во избежание замыкания и выхода из строя электрических схем прибора). Площадь поверхности фотоэлемента 2,827?10-3 м. Освещенность, как известно, измеряется в люксах (lx) . Люксметр способен измерять прямое солнечное освещение и освещение рассеянного света с цветовой температурой 2800-6500 K [9]. При этом относительное спектральное распределение плотности потока излучения видимой области спектра, как у абсолютного черного тела, 400-700 нм , то есть практически полный видимый диапазон (световое ощущение у человека возникает при электромагнитном излучении 380-760 нм). Поэтому предлагаемый метод оценки мутности основан на излучениях, воспринимаемых прибором, и это, в определенной мере, может решить вопрос качественной оценки мутности.

Время успокоения при измерениях фотоэлемента люксметра 4 с. Диапазон температур измерения –10 – 35° C.
Минимальная массовая доля, образующих мутность наносов должна быть таковой, чтобы чувствительность прибора обеспечивала возможность измерения освещенности и ее изменения в пределах весьма незначительных.
Что делать, когда у поверхности мутность незначительна и чувствительность прибора ограничена? Тогда можно произвести измерения на глубине, а там естественной освещенности может быть и недостаточно. В этом случае, для подсветки фотоэлемента можно использовать источник искусственного освещения. Однако это требует переоборудования прибора. При измерениях в этом случае замеры в точке надо производить два раза: один раз освещенности только от естественного света, второй – с включенным источником освещения. Затем из второго значения вычитается первое.

Вообще измерения можно производить при любой облачности и при наличии затененных участков вдоль водотока, но для этого освещенность необходимо измерять в каждой точке два раза: воздуха у поверхности воды и на заданной глубине. При постоянной освещенности измерение воздуха можно произвести один только раз.
Также надо поступать, когда необходимо измерить мутность в точке на глубине: освещенность измеряется на вертикале в двух точках: выше и несколько ниже, второе значение вычитается из первого; разность – истинное значение освещенности e заданного объема. По нему можно количественно определить концентрацию взвешенных наносов.

Снижение величины освещенности, обусловленное, в первую, очередь мутностью, есть разность величин освещенности воздуха на поверхности и освещенности на глубине


.                                                                (16)


Фотоэлемент прибора после помещения его в воду во время измерения фиксируется и удерживается в горизонтальном положении, то есть поверхность активного элемента все время остается параллельной водной поверхности. Фотоэлемент всегда располагается на одинаковой глубине, которая выбирается сообразно целям и задачам эксперимента, но не за пределами точности метода и прибора.
После снятия показания в точке фотоэлемент перемещается в следующую точку профиля, и так далее.
Цветность также определяется физико-химическим составом воды. В пределах некоторого незначительного участка этот состав варьируется несильно, и за изменение этих показателей на протяженном участке необходимо вносить поправки. Поправки должны учитывать цвет воды, как световую волну другой частоты, соответствующей длине волны того или иного цвета. В воде, имеющей различный цвет, различны показатели преломления и поглощения, и это необходимо учитывать. Тот или иной цвет световой волне придает такой же цвет воды


.                                     (17)


Подпись:   Экспериментальные исследования мутности на малой реке  Московской области
Результаты эксперимента по исследованию мутности от естественной освещенности представлены на рисунке.
Значение E1 ? const, поскольку измерения проводились в облачную погоду и водная поверхность была местами затенена из-за прибрежной растительности.

 

 

 

 

 

 

 

Библиографический список

 

Что связано с изучением свойств стекол, кристаллов и др.

При малых размерах частиц показатель рассеяния » l-4 и синие лучи рассеиваются сильнее красных, поэтому прямой свет от Солнца видится красным, а небо синим (физиологическая оптика в данной задаче безразлична).

Ввиду неопределенности белого света введены стандарты источников света: A – электрические лампы накаливания (строго говоря, они дают не совсем белый цвет) с цветовой температурой 2854 К; B – солнечный свет более желтоватый с цветовой температурой 4800 К;  C – солнечный свет более голубоватый с цветовой температурой 6500 К;  E – нетемпературный с равными энергиями монохроматических спектров. Прямой солнечный свет имеет свой стандарт; его цветовая температура принимается равной 5400 К.

Измеряется в нитах (нт) или канделах на квадратный метр (кд?м-2).

Класс устройств для исследования взвесей очень широк. Такие устройства применяются во многих областях производства. Принцип их работы различен. Принцип действия устройств не связан с их назначением: он может быть основан на измерении массовых характеристик (приборы для снятия гидравлических характеристик взвесей), или на изменении оптических свойств потока (датчики для измерения качества воды). Существуют и очень простые устройства (состоящее из пары зеркал), например, для измерения по числу видимых меток освещенности в воде. Оно предназначено для обследования тела плотин водолазами. Известны и всевозможные типы (оптические схемы) устройств гидродинамических измерений: двухлучевые, с гетеродинированием, интерференционные, рассеянием назад, с дифракционными решетками, измерения компонентов скорости, сдвига частоты, подавления низких частот, Фабри-Перо; все они основаны на измерении взаимодействия двух лучей, прошедших сквозь поток и сфокусированных в некоторой его точке. То есть их работа основана на доплеровских эффектах; анализ сигналов производится по их частотам с помощью электронных и электротехнических систем.
Все эти устройства предназначены для измерения скорости и для оценки мутности, насколько известно, не используются [8].

Ослабляющие насадки не являются светофильтрами (в известном смысле), т.е. устройствами, пропускающими волну с той или иной частотной характеристикой. Они обеспечивают возможность регистрации освещенности при очень ярком солнечном свете, снижая и равномерно распределяя на поверхности детектора световой поток.

Напомним, люкс равен освещенности поверхности площадью  S =1 м2 при падающем на нее световом потоке F, равном 1 люмен (равен силе света I, кандел, на телесный угол), т.е. .

Исследования в других диапазонах частот – ультраизучениях, интересно само по себе с другой стороны, но оно требует других приборов и, следовательно, разработки иных методов. Песчинки мелкого фракционного состава в потоке визуально практически неразличимы, но это не означает, что если ее, к примеру, и может легко «увидеть» ультраизлучение, оно единственно возможно и осуществимо.