Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Формирование мутности и гранулометрического состава взвешенных наносов 11
1.1 Характеристики речных наносов 11
1.2 Гидравлические условия перемещения наносов 24
1.3 Диффузия взвешенных частиц 27
Глава 2 Географо-гидрологическая характеристика исследуемых объектов 33
2.1 Реки Европейской части России 35
2.2 Реки Большого Кавказа 39
2.3 Реки Западной Сибири 42
2.4 Реки Восточной Сибири 43
2.5 Реки Дальнего Востока 48
2.6 Антропогенное влияние на исследуемые реки 53
Глава 3 Методы определения мутности воды 60
3.1 Весовой метод 60
3.2 Акустический метод 63
3.3 Лазерный метод 66
3.4 Дистанционный метод 68
3.5 Оптический метод 78
3.6 Региональные особенности использования оптического метода измерения мутности 86
Глава 4 Закономерности локальных изменений мутности воды 98
4.1 Вертикальное распределение мутности воды в реках 98
4.2 Накопление наносов на участках рек 105
4.3 Распределение мутности воды по ширине рек 115
Глава 5 Закономерности изменения мутности воды и стока взвешенных наносов по длине рек 128
5.1 Изменение мутности воды и стока взвешенных наносов по длине большой незарегулированной реки 128
5.2 Изменение мутности воды в условиях маловодья на малых и средних реках 149
5.3 Изменение мутности воды по длине рек вулканических районов 152
5.4 Изменение мутности воды рек с сильным влиянием хозяйственной деятельности 157
Глава 6 Математическое моделирование продольного распределения мутности воды в реках 179
6.1 Математическая модель продольного распределения мутности воды в реках 179
6.2 Применение математической модели распределения мутности вдоль участков рек ниже техногенных источников поступления взвешенных наносов 186
Заключение 195
Литература 198
- Гидравлические условия перемещения наносов
- Реки Западной Сибири
- Лазерный метод
- Накопление наносов на участках рек
Введение к работе
Актуальность исследования. Мутность воды является важной
гидрологической характеристикой, влияние которой на деформации речного
русла, эффективность работы водозаборов, водосбросов, заиление
водохранилищ недостаточно изучено. Мутность влияет на качество воды,
воздействуя на её органолептические показатели, тем самым определяя
финансовые и временные затраты, необходимые на водоподготовку и
водоочистку. Содержание взвешенных минеральных частиц влияет на
структурно-функциональные характеристики первичного звена пищевой цепи
водных экосистем, оказывая механическое воздействие на гидробионтов,
определяя их метаболические свойства, вызывая гибель фитопланктона,
лимитируя первичную продукцию, изменяя кормовую базу. Взвешенные
наносы влияют на содержание загрязняющих веществ в воде, сорбируя органические и неорганические примеси. В результате мониторинг содержания в воде взвешенных минеральных частиц составляет одну из задач системы наблюдений за изменением гидрологического состояния и режима рек.
Степень разработанности темы. Большинство ранее проводимых исследований мутности речных вод в основном базируются на информации, получаемой с гидрометрических постов [Лопатин, 1952; Шамов, 1959; Швебс, 1974; Сток наносов…, 1977; Россинский, Дебольский, 1980; Дедков, Мозжерин, 1984; Копалиани, 1985; Walling, 2000; Бобровицкая, 2008 и др.]. Особенности пространственной изменчивости мутности речных вод в разные фазы водного режима часто отличаются от среднемноголетних показателей и практически не изучены. Существующая гидрометрическая сеть не позволяет эффективно оценивать относительно быстрые пространственно-временные изменения мутности в связи с большой дискретностью измерений и редким расположением постов наблюдений за стоком взвешенных наносов. Открытым остается вопрос об оценке и прогнозировании поступления взвешенных частиц ниже хозяйственных объектов, влияние которых может носить разновременной характер.
Цель работы – оценка закономерностей изменения мутности речных вод в разные фазы водного режима и обоснование современных методов её мониторинга.
Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:
1) анализ современных методов определения мутности воды и оценка их
применимости;
2) выявление особенностей пространственной изменчивости мутности
речных вод в разные фазы водного режима на реках, протекающих в различных
природных условиях;
3) изучение локальных закономерностей изменения мутности по ширине
и глубине рек;
4) исследование антропогенного влияния на режим мутности и
гранулометрический состав взвешенных наносов, разработка методов расчёта и
прогноза его воздействия.
Научная новизна работы:
1) впервые проведена комплексная оценка эффективности современных
технологий определения мутности воды. В рамках оптического метода
определения мутности получены региональные регрессионные зависимости для
рек России и Монголии;
2) выявлены закономерности формирования и факторы изменчивости
мутности воды вдоль участков рек в зависимости от фаз водного режима,
местных условий, антропогенных воздействий;
3) впервые определены закономерности быстрой изменчивости мутности
воды по ширине и глубине рек, которые обусловлены типом русла, изменением
водности, гранулометрическим составом и интенсивностью осаждения
взвешенных наносов;
4) разработан аналитический математический алгоритм распределения
продольной мутности воды вдоль участка реки ниже источников поступления
взвешенных наносов.
Теоретическая и практическая значимость работы заключается в
выявлении закономерностей пространственной изменчивости мутности речных
вод в разные фазы водного режима на участках рек в естественных и
хозяйственно-преобразованных условиях. На основе анализа современных
технологий определения мутности воды исследована возможность
использования полученных регрессионных зависимостей между весовой мутностью и мутностью, определённой косвенными способами для рек с аналогичными условиями формирования стока взвешенных наносов. Разработана математическая модель продольного распределения мутности воды на основе уравнения турбулентной диффузии взвешенных частиц, которая позволяет оценивать влияние существующих и будущих хозяйственных объектов на распределение мутности воды вдоль участков рек. Полученные в работе закономерности изменения мутности воды на участках рек могут быть применены для оценки развития русловых процессов, качества воды, гидроэкологических условий, заиления водохранилищ.
Результаты работы вошли в научные отчёты по проектам федеральных целевых программ «Разработка моделей и технологий дистанционной диагностики состояния и режима водных объектов суши» (2011–2014 гг.); «Разработка научно-методических основ мониторинга и прогнозирования состояния бассейна р. Селенга с целью контроля трансграничного переноса загрязняющих веществ и их выноса в оз. Байкал и оптимизации использования и охраны водных ресурсов» (2011–2013 гг.); государственной бюджетной научно-исследовательской работе «Эволюция эрозионно-русловых систем и их составляющих в условиях изменения климата и антропогенных нагрузок» (2011–2015 гг.).
Материалы диссертационного исследования представлены в научных отчётах по грантам РФФИ: «Речные наносы: формирование, пространственно-временная изменчивость, гидрологические и экологические функции» (проект 15-05-05515), «Разработка научных основ управления русловыми процессами для обеспечения гидрологической безопасности на реках» (проект 15-05-
6
03752), «Речной перенос взвешенных частиц ниже объектов хозяйственной
инфраструктуры: технологии и гидрологическое моделирование» (проект 14-
05-31351), «Разработка научно-методических основ мониторинга и
прогнозирования воздействия месторождений тяжелых металлов на речные
системы Северной Евразии в условиях изменения климата» (проект 12-05-
33090), «Закономерности изменения гидрологического состояния и режима рек
при их слиянии и делении на рукава» (проект 12-05-00069) и другим проектам.
Научные результаты работы использованы при подготовке научных отчётов по грантам Президента Российской Федерации «Эрозионно-русловые системы и безопасность земле- и водопользования» (НШ-1010.2014.5), «Природные и техногенные закономерности изменения стока наносов по длине речных систем» (МК-2857.2012.5); Русского Географического Общества «Экспедиция Селенга–Байкал» (2011–2014 гг.).
Материалы работы использованы для выполнения договорных проектов «Мониторинг воздействия геологоразведочных работ и разработки россыпных месторождений платины на условия воспроизводства и состояние рыбных запасов в бассейне р. Вывенка» (2009, 2011 гг.), «Обеспечение экологического мониторинга и обоснование инженерных решений по снижению воздействия разработок россыпной платины на состояние водных экосистем в бассейне р. Вывенка» (2012, 2013 гг.).
Материалы и методы исследований. Изменчивость мутности воды изучена на 136 реках, протекающих в России и Монголии, относящихся к бассейнам Атлантического, Северного Ледовитого, Тихого океанов и Каспийского моря. В связи с редкими наблюдениями на сети Росгидромета в основу исходных материалов вошли данные, полученные в ходе экспедиций при участи автора, проведённые кафедрой гидрологии суши географического факультета МГУ, Всероссийским НИИ рыбного хозяйства и океанографии (ВНИРО), Институтом экологии Волжского бассейна РАН (ИЭВБ РАН) в 2004– 2014 гг. Часть данных получена при анализе архивных материалов научно-
7 исследовательской лаборатории эрозии почв и русловых процессов (НИЛЭПиРП) им. Н.И. Маккавеева МГУ и опубликованных источников.
Для обобщения исходной информации в работе применён метод
географо-гидрологического анализа. Гидрологические расчёты и
регрессионный анализ использовались при оценке применимости косвенных
методов определения мутности и выявлении гидрологических закономерностей
формирования мутности и стока взвешенных наносов. Математическое
моделирование применялось при описании распределения мутности воды вдоль
участков рек. Часть исходной информации получена с применением методов
дистанционного зондирования Земли и обработана с помощью
геоинформационных технологий.
Основные защищаемые положения:
1) современные методы определения мутности воды являются
эффективным способом получения её массовых значений при соблюдении
границ применимости и проведении калибровок, в частности для оптического
метода установлены статистически значимые региональные регрессионные
зависимости на реках России и Монголии;
2) мутность воды от истока к устью возрастает в межень и снижается в
период повышенной водности. Эта закономерность нарушается главным
образом при зарегулированности речного бассейна, несовпадении фаз водного
режима на главной реке и её притоках, специфических условиях формирования
стока наносов в бассейне реки (вулканические районы, проведение горных
работ);
3) вертикальное распределение мутности воды в нижнем течении
больших равнинных рек часто носит равномерный или обратный характер вне
зависимости от фазы водного режима, при этом основным фактором изменения
мутности по глубине служит транспортирующая способность потока.
Распределение мутности по ширине рек зависит от морфодинамического типа
русла и является нестабильным в период повышенной водности;
4) для описания и прогноза переноса взвешенных частиц в реках ниже техногенных источников их поступления получена формула продольного распределения мутности воды вдоль участков рек.
Степень достоверности и апробация результатов. Все исследования, проведённые в рамках диссертационного исследования, включая сбор, подготовку и анализ материалов, выполнены при соблюдении необходимых требований и методик [Методические…, 2002; Наставление…, 1975, 1978; Сток наносов…, 1977].
Результаты работы доложены на конференциях Международного
географического союза IGU (Москва, 2015); «Научное обеспечение реализации
Водной стратегии Российской Федерации на период до 2020 г.» (Петрозаводск,
2015); «Объединение исследований в бассейне Байкала и Селенги» (Лейпциг,
Германия, 2014; Женева, Швейцария, 2012); XII Международном симпозиуме
по речным наносам ISRS (Киото, Япония, 2013); X Генеральной ассамблеи
Европейского союза наук о Земле EGU (Вена, Австрия, 2013); XXVII
пленарном совещании Межвузовского научно-координационного совета по
проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов (Ижевск, 2012);
IX научном семинаре молодых ученых высших учебных заведений,
объединяемых Межвузовским научно-координационным советом по
проблемам эрозионных, русловых и устьевых процессов при МГУ (Волгоград, 2012); VII Конференции «Динамика и термика рек, водохранилищ и прибрежной зоны морей» (Москва, 2009).
По теме диссертации опубликовано 26 научных работ, в том числе 3 статьи в научных журналах, включенных в перечень российских рецензируемых научных журналов и изданий для опубликования основных научных результатов диссертаций, 2 статьи в изданиях, индексируемых в системе цитирования Web of Science. Автором получено 2 патента на седиментационные ловушки.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем работы –
9 228 страниц, текст изложен на 194 страницах, включая 99 рисунков и 18 таблиц. Список литературы состоит из 232 наименований, в том числе 84 -на иностранных языках.
Автор останется навсегда благодарен своему Учителю профессору Николаю Ивановичу Алексеевскому за то, что привил интерес к науке, внимание и поддержку. Автор особо признателен за помощь в работе и организацию исследований д.г.н., проф. Н.Л. Фроловой, д.б.н., проф. Т.Д. Зинченко, к.г.н. СР. Чалову, академику РАН Н.С. Касимову, Л.А. Анисимовой, А.В. Улатову и другим сотрудникам и выпускникам МГУ.
Гидравлические условия перемещения наносов
Отличия в коэффициентах температурного расширения разных минералов вызывают образование трещин, обломков горных пород и отдельных минеральных частиц. К этому же виду выветривания относится морозное выветривание, вызванное расширением воды в трещинах горных пород при замерзании, что приводит к их механическому разрушению. Процессы вымывания солей, выщелачивания и разрыхления почв при контакте почво-грунтов с водой и воздухом относятся к химическому выветриванию [Шамов, 1959]. Разрушение горных пород при биологическом выветривании происходит за счёт воздействия организмов, которые оказывают механическое воздействие на эти породы (корневой системой, образованием нор и т.п.) или косвенно влияют на их химическое состояние (вследствие своей жизнедеятельности) [Глазовская, Добровольская, 1984]. Перемещение продуктов выветривания происходит под действием силы тяжести на склонах речных бассейнов. Оно осуществляется в соответствии с физическими особенностями гравитационных процессов: обвалов, осыпей, оползней, крипа, солифлюкции [Аллисон, Палмер, 1984; Шамов, 1959]. Наиболее интенсивно эти процессы протекают в горных районах, где наблюдается большие уклоны местности: продукты разрушения горных пород не задерживаются на склонах и отлагаются у их подножий, на дне долин и в руслах рек.
Эрозия происходит вследствие воздействия потоков воды и ветра на почвы и грунты. К ветровой эрозии (дефляции) относится процесс выдувания мелкозернистых минеральных частиц с поверхности почвы. В зависимости от интенсивности ветра такие частицы могут попадать непосредственно в речные потоки, выпадать на земную поверхность, а затем смываться талыми и (или) дождевыми водами [Маккавеев Н.И., 1955; Шамов, 1959]. Эоловый источник наносов в наибольшей степени выражен в районах засушливого климата, в которых сочетание недостаточного увлажнения и слабой задернованности почв обусловливают слабое сцепление частиц в составе почв (горных пород). В общем случае появление минеральных частиц в водных потоках связано процессами водной эрозии на склонах речных бассейнов и в руслах временных и постоянных водотоков. Склоновая эрозия проявляется в поверхностном (мелкоструйчатом) и линейном размыве почв и грунтов. Русловая эрозия происходит за счет размыва русловых отложений и берегов (пойменных отложений) [Алексеевский, 1998; Маккавеев Н.И., 1955; Шамов, 1959]. Осадки, выпадающие на поверхность склонов, формируют временную микроручейковую сеть. Ручейки по мере слияния приобретают возрастающую по их длине размывающую способность [Караушев, 1972; Муракаев, 2012]. В результате формирования более глубоких эрозионных врезов в водные потоки поступают дополнительные «порции» минеральных частиц руслового генезиса. Формирование оврагов стимулирует активизацию различных гравитационных процессов на их склонах и увеличение мутности за счет этого источника минеральных частиц.
Совокупность процессов выветривания, денудации и склоновой эрозии приводит к перемещению минеральных частиц с поверхности водосбора к приемным водным объектам. После поступления частиц в иерархически соподчиненные русловые системы они могут транзитом перемещаться вдоль их участков или переходить в состав русловых отложений на короткое (продолжительное) время. Под влиянием сезонных или многолетних проявлений русловых деформаций эти частицы могут повторно взвешиваться или переходить в состав речных отложений [Маккавеев Н.И., Чалов Р.С., 1986].
Отличия водосборных территорий по интенсивности смыва с поверхности водосбора соответствуют изменению эрозионных коэффициентов, которые зависят от характера рельефа, состава почвогрунтов, других ландшафтных, гидрографических и гидрологических факторов [Сток наносов…, 1977]. Физический смысл таких зависимостей характеризует структура уравнения Уишмеера-Смита для определения величины поверхностного смыва A с единицы площади водосбора за некоторый период времени [Wischmeier, Smith, 1978]: A = RKLICP. (1.1) Правая часть уравнения описывает интегральное влияние эрозионной способности осадков R, эродируемости почв K, длины склона L, его уклона I, растительности и освоенности водосбора C, типа противоэрозионных мер P на величину поверхностного смыва. Значение эрозионного коэффициента можно оценивать в зависимости от изменения уклона реки [Поляков, 1946], энергетической характеристики, пропорциональной расходу воды и средневзвешенной высоте водосбора [Светицкий, 1962], типа растительности, рельефа, модуля поверхностного стока, состава почв [Швебс, 1974], энергии дождевых капель [Эрозионные…, 1984]. На территории России и сопредельных стран выделяют 29 эрозионных районов, для каждого из которых характерно особое соотношение между модулем стока взвешенных наносов и модулем стока воды, уклоном рек, средней высотой водосбора, относительной площадью лесов, озёр, болот и пахотных земель [Сток наносов…, 1977].
Мутность и сток наносов в существенной мере зависят от возможности и выраженности аккумуляции речных наносов. По данным [Эрозионные…, 1984] около 30 % площади эродируемых склонов в пределах речных водосборов занято намытыми почвами, что характеризует масштабы переотложения продуктов смыва. Активизации процессов осаждения транспортируемых частиц водными потоками соответствует уменьшение уклонов местности, снижение интенсивности эрозионных процессов и увеличение шероховатости склонов и русел [Алексеевский, 1998]. Однако лишь малая часть смытых частиц транзитом достигает устья главной реки [Голосов, 2006; Сидорчук, 1996; Walling, 2000]. Чем больше площадь водосбора, тем меньшая часть продуктов смыва достигает приемного водного объекта. Основная часть смытых минеральных частиц аккумулируется у подножья склонов, в поймах и руслах рек, образующих русловую сеть территории.
Реки Западной Сибири
Весовой (гравиметрический) метод является стандартным при определении мутности воды и входит в состав наблюдений на гидрометрических постах [Наставление…, 1975]. Для определения содержания взвешенных наносов в объёме воды (г/м3) используют безнапорное фильтрование или фильтровальные приборы. В частности, прибор Куприна (ГР–60) предназначен для ускоренного фильтрования проб под давлением в полевых и в лабораторных условиях. Отделение взвешенных частиц от воды в этом случае производится через бумажные фильтры с заранее известным весом. Объём отбираемых проб воды зависит от величины мутности (табл. 3.1). Он должен быть достаточным для получения при фильтровании массы осадка на фильтре не менее 0,1 г [Наставление…, 1975; Методические…, 2002; Сток наносов…, 1977].
Применение современных фильтровальных систем (например, фирмы «Millipore») (рис. 3.1) обеспечивает приемлемую скорость фильтрации проб и повышает точность метода благодаря совокупному применению лабораторного стекла и вакуумного насоса. Система состоит из пластмассовой воронки (1), которая соединяется с фильтродержателем (2). Последний устанавливается на колбу Бунзена (3) ёмкостью 1 л. Такую колбу через специальное отверстие для удаления воздуха соединяют при помощи шланга (4) с мини-вакуумным насосом (5).
Точность метода возрастает при использовании мембранных фильтров, размер пор которых (0,45 мкм) на один порядок меньше по сравнению с обеззоленными бумажными фильтрами «белая» или «желтая лента», предусмотренными для использования на сети Росгидромета [Методические…, 2002]. Это позволяет уменьшить объём фильтруемой пробы при сохранении необходимой массы осадка на фильтре для достижения требуемой точности измерений. При использовании мембранных фильтров, имеющих гладкую текстуру, частицы легко отделяются от них. Это облегчает дальнейшее определение гранулометрического состава взвеси на лазерном дифрактометре Fritsch Analysette 22. Чистые фильтры помещаются в стеклянные бюксы и высушиваются в течение 2 часов в сушильном шкафу для удаления влаги при температуре 105 C. Их масса mф определяется на аналитических весах с погрешностью до 0,0001 г [Наставление…, 1978]. После отделения минеральных частиц от воды фильтры с осаждёнными частицами высушиваются в сушильном шкафу в течение 3 часов, а затем взвешиваются для определения общей массы фильтра с осадком mо. При массе осадка больше 1 г погрешность взвешивания не превышает 0,001 г [Методические…, 2002]. Масса взвешенных частиц составляет m = mо – mф. Величина мутности:
Основное достоинство весового метода - возможность прямого получения величины мутности в любом диапазоне измерения содержания в воде взвешенных частиц. Недостаток метода - большая продолжительность обработки результатов (до нескольких часов), сложность производства частых измерений мутности вследствие большой трудоёмкости, необходимость экономии расходных материалов (фильтров), неточности оценки мутности при массе осадка менее 1 г и наличии во взвеси органических примесей.
Доплеровские измерители скоростей течения можно использовать и для определения мутности воды. Измерение основано на излучении акустического импульса в воду, а затем «фиксации эха», отражённого взвешенными частицами. После получения сигнала устройство рассчитывает доплеровское смещение. Обратно к источнику отражается очень малая часть акустической энергии, большая её часть «поглощается» частицами или рассеивается. Базовое значение при этом имеет обоснование зависимости между содержанием взвешенных частиц в воде и интенсивностью отражённого сигнала (обратного рассеивания ОР, дБ) [Chanson et al., 2008]. Методики применения доплеровских датчиков для оценки мутности воды приведены в специальных руководствах [Sontek, 1997; Wall et al., 2006 и др.].
Содержание взвешенных частиц в воде зависит от её гидрофизических свойств и от особенностей соответствующих приборов. Поэтому при измерениях вводятся поправки на температуру воды, минерализацию, давление, наличие в воде взвешенных частиц и органических веществ, диаметр этих частиц и др. На величину мутности влияет также частота и сила излучаемого сигнала, форма датчика, геометрия лучей, величина измерительной ячейки в потоке и другие факторы [Szupiany et al., 2006; Thorne, Hanes, 2002]. В зависимости от соотношения крупности взвешенных частиц и длины генерируемой волны изменяется интенсивность отражённого сигнала. Например, для акустического профилографа фирмы «Sontek» с частотой излучения ультразвуковых волн 1000 kHz наиболее точные оценки мутности получают при наличии во взвеси частиц с диаметром 0,235 мм. При увеличении или уменьшении диаметра взвешенных частиц величина ОР уменьшается. При диаметре менее 0,012 мм частицы становятся «невидимыми» для данного прибора [Sontek, 1997].
Лазерный метод
В верхнем и среднем течении Янцзы для дистанционного определения мутности речных вод использовались космические изображения со спутника Landsat ЕТМ+ [Wang et al., 2007]. Для ближнего инфракрасного канала получены регрессионные зависимости между фактической мутностью и коэффициентами отражения ( , %) (г = 0,96). Для значений мутности в диапазоне 0-900 г/м3:
Для адаптации данной технологии применительно к условиям бассейна Селенги создана база подспутниковых измерений мутности воды и соответствующих космических снимков. Она характеризует условия формирования мутности в паводочный период (июль-август) 2011 г. и в межень (июнь) 2012 г. Изображения 2011 г. получены с помощью спутников SPOT-4 (разрешение 10, 20 м), SPOT-5 (разрешение 5 м) в спектральных каналах съёмки 500-590 (зелёный), 610-680 (красный), 780-890 (ближний инфракрасный) и 1580-1750 (средний инфракрасный) нм. Данные со спутниковых систем SPOT летом 2012 г. дополнили материалы дистанционного зондирования со спутника FORMOSAT-2 (разрешение 2,8 м) в каналах 450-520 (синий), 520-600 (зелёный), 630-690 (красный), 760-900 (инфракрасный) нм. Схема покрытия бассейна Селенги этими снимками представлена на рисунке 3.10. Спутниковые изображения подобраны по датам проведения полевых работ в 2011-2012 гг. а б
Значения показателей яркости пикселей снимались со снимков вручную (для их точной привязки к створам проведения подспутниковых измерений). Для снимков осуществлена атмосферная и радиометрическая коррекции в соответствии с рекомендациями Е.А. Балдиной и др. [2011]. Данные измерений браковались при недостаточном разрешении спутниковых изображений (участки малых и средних рек) или из-за облачности. Для периода летней межени в 2012 г. зависимость (рис. 3.11) построена между переменными, соответствующими ближней инфракрасной зоне и диапазону мутности от 5,89 до 89,5 г/м3, имеет вид (r = 0,87, число точек n = 19): S = 1150 – 16,4. (3.13) В летние паводки 2011 г. мутность воды, использованная для построения S = f( ) (рис. 3.11) изменялась в диапазоне 14,1–493 г/м3, а сама зависимость между S и при этом сохранила линейный характер (r = 0,96, n = 17): S = 4620 - 178. (3.14)
Величина этих параметров зависит от гранулометрического состава взвешенных частиц (в паводки средний d = 0,04 мм, в межень d = 0,08 мм), наличия в воде других примесей (планктон, взвешенные органические вещества, растворённые соли и др.). Их влияние изменяется для разных фаз водного режима, сезонов года, сочетаний факторов, влияющих на процессы смыва почв и разрушения горных пород. Средняя абсолютная погрешность расчётов по уравнению (3.13) составляет 12 г/м3, а относительная – 36 % для условий S 7 г/м3, для меньшего диапазона мутности она увеличивается до 150–200 %. Погрешности использования уравнения (3.14) равны соответственно 32 г/м3 и 34 %. Оценки произведены с учётом метода «выбрасывания точек» [Христофоров, 1993]. Использование методов ДЗЗ для определения мутности в целом возможно и эффективно. На их основе получается информация о мгновенном пространственном распределении мутности воды в большом количестве объектов. Наиболее приемлемые результаты метод обеспечивает в диапазоне изменения мутности от 0 до 500 г/м3. При большем содержании в воде взвешенных частиц точность метода понижается. Максимальные проблемы использования метода возникают при наличии в воде других (не минеральных) примесей. Определённые затруднения возникают в местах расположения обсыхающих галечных отмелей, т.к. на снимках они напоминают водную поверхность, а подводный рельеф на участках с небольшими глубинами создаёт эффект расположения зон повышенной мутности.
Оптический (фотометрический) метод измерения мутности речных вод основан на способности взвешенных частиц рассеивать свет, проходящий через пробу воды: чем сильнее он затухает, тем больше содержание в воде взвешенных частиц. Таким образом получают «оптическую мутность» T (от английского «turbidity»). Очевидно, что её величина зависит от содержания в воде не только минеральных частиц, но и других примесей [Сток наносов…, 1977; Schroeder и др., 1981]. Содержание взвешенных частиц в воде измеряется в данном случае в оптических (нефелометрических) единицах мутности (NTU / НТУ, nephelometric turbidity units).
При определения оптической мутности проводится калибровка приборов раствором формазина – суспензии, твёрдую фазу которой образуют полимерные цепочки разной длины и конфигурации с размером частиц порядка 0,1–10 мкм. Характер рассеивания света в калибровочных стандартах и в образцах со взвешенными частицами сильно отличается: частицы малых размеров, представленные в суспензии, хорошо рассеивают коротковолновый свет (синий), а крупные частицы в природных водах – длинноволновый (красный) [Теория…, 2014]. Тем не менее зависимость между оптической мутностью формазина (рис. 3.12, а) и содержанием взвешенных минеральных частиц в воде (рис. 3.12, б) достаточно очевидна.
Приборы, позволяющие измерять мутность оптическим методом, делятся на два типа. Если они позволяют определять мутность в пробе воды, помещаемой в прибор (в измерительной кювете, бюксе, ячейке), то называются турбидиметрами. Такие приборы измеряют степень рассеяния света в случае, когда источник света и детектор расположены на одной оси. Нефелометры определяют рассеянный свет – их детекторы расположены под углом к источнику света. Оптическая схема устройства нефелометрических турбидиметров (детекторы приборов измеряют прямой и рассеянный свет) или мутномеров (общее название) приведена на рисунке 3.13. Наиболее распространены мутномеры фирмы Hach и Hanna (рис. 3.14, а, б).
В приборах другого типа приёмные датчики погружают в водный объект или в ёмкость с пробой воды. Такие приборы обеспечивают возможность проведения непрерывного (или дискретного) мониторинга мутности воды. В комплект таких приборов (зондов) (фирмы YSI, Seba, Hach и др.) входят сенсоры, способные определять и другие гидролого-гидрохимические характеристики (рис. 3.14, в, г). Измерение содержания взвешенных частиц в воде занимает несколько секунд.
Накопление наносов на участках рек
По длине Орхона и Селенги массообмен между транзитным потоком наносов и русловыми отложениями близок к нулю или отсутствует. На это указывают результаты анализа гранулометрического состава взвешенных наносов. В зависимости от наличия или отсутствия в этом составе и в составе русловых отложений частиц одной и той же крупности можно судить о характере массобмена между ними (рис. 5.8). В период дождевых паводков в верхнем течении реки в поток поступают относительно мелкие (бассейновые) частицы, смытые с поверхности водосбора дождевыми осадками. Они переносятся по реке транзитом во взвешенном состоянии, поэтому отсутствуют в русловых отложениях [Копалиани, 1985]. В гранулометрическом составе взвешенных наносов в верховьях Селенги в паводки доминируют фракции мелкой пыли, а в составе донных отложений – средний гравий. Интегральные кривые их гранулометрического состава не пересекаются (рис. 5.8, а). Определение начальной скорости движения частиц vн по формуле Г.И. Шамова (1.14) подтверждает, что на этом участке реки русловые отложения неподвижны, поскольку придонная скорость потока vд 1,28vн. При переходе от верхнего течения реки к нижнему доля фракций пыли и песка увеличивается в составе взвешенных наносов (до 64 %) и в донных отложениях (до 36 %). Этот вариант их соответствия характеризует возможность аккумуляции части взвешенных наносов, поступивших с верхнего течения (рис. 5.8, в). Размыв донных отложений не происходит, поскольку vн 2vд.
В межень, наоборот, в верхнем и среднем течении Селенги происходит слабый размыв донных отложений, их переход во взвешенное состояние: в верховьях содержание песчаных частиц в донных отложениях достигает 31 %, а во взвеси – 3 %, в среднем течении это соотношение изменяется на 8 и 4 % соответственно (рис. 5.8, г, д). На этом участке начальная скорость движения частиц в межень больше фактической скорости потока на 5–33 %. В нижнем течении (рис. 5.8, е) впадение притоков с мутными водами существенно уменьшает средний размер взвешенных частиц (до размера фракции «мелкая пыль»), а незначительное совпадение диапазонов фракций, представленных в донных отложений и во взвеси (менее 1 %) связано с процессом повторного взвешивания наиболее мелких частиц из состава русловых отложений, для которых vд 1,19vн.
Средний диаметр взвешенных наносов d для изученных рек в бассейне Селенги равен 0,066 мм. В паводки он уменьшается до 0,039 мм за счёт поступления бассейновых частиц, в межень, наоборот, возрастает до 0,079 мм. В многоводной период года содержание частиц во взвеси с d 0,05 мм превышает 90 %, в межень их доля уменьшается в среднем до 80 % (рис. 5.9). Минимальная крупность частиц характерна для летних паводков (2011 г.): для нижнего течении р. Орхон она составила 0,016 мм, в бассейнах рек, испытывающих влияние горнорудной деятельности (рр. Туул, Бороо), d 0,03 мм. Наибольший средний размер частиц в период паводков характерен для верхнего течения р. Орхон в районе г. Хархорин (0,124 мм), а также в среднем течении Селенги (0,112 мм). На спаде волны паводков он максимален в верхнем течении р. Хараа (0,825 мм).
Увеличение крупности взвешенных наносов соответствует увеличению доли русловых (руслообразующих) фракций, поступающих в поток вследствие размыва русловых отложений. Для отдельных притоков Селенги в межень в составе взвешенных наносов преобладают частицы с диаметром 0,485 мм (р. Туул), 0,310 мм (р. Уда), 0,300 мм (р. Джида), 0,243 мм (р. Хараа), 0,182 мм (р. Чикой), 0,142 мм (р. Орхон) (рис. 5.9). Эти оценки близко соответствуют исследованиям, приведённым в монографии [Гидрологический режим.., 1977]. В меженный период в среднем по длине Селенги более 50 % взвеси сформировано фракциями мелкой пыли (0,01 – 0,05 мм), 45 % - фракциями ила (0,001 – 0,01 мм). К устью Орхона содержание русловых частиц (d 0,05 мм) достигает 49 %. Ниже по течению содержание русловых фракций в составе взвешенных наносов р. Селенга уменьшается до 9 %, что связано с впадением Туула, в котором содержание бассейновых частиц превышает 90 % (рис. 5.10).
Суточный сток взвешенных наносов по длине Селенги на пике паводков изменяется от 2461 т/сут в верхнем течении, до 1560 т/сут – в нижнем; на спаде паводков это соотношение носит обратный характер: от 744 до 2668 т/сут (табл. 5.2). В летнюю межень сток наносов возрастает вниз по течению от 108 до 1550 т/сут, главным образом благодаря притокам. В среднем за год к нижнему течению Селенги поступает 5700 т/сут, где существенную роль играет поступление частиц в период половодья. Интенсивная аккумуляция наблюдается на пике паводков: результирующая баланса WR вдоль всей речной сети достигает –3625 т/сут. На спаде паводков в вершине дельты наблюдается незначительный размыв отложений с интенсивностью 82 т/сут, а выше по течению преобладает аккумуляция частиц, которая увеличивается к устью Орхона до 500 т/сут. В меженный и среднемноголетний периоды соотношение размыва и аккумуляции по длине реки носит знакопеременный характер.
В период летних паводков в среднем и нижнем течении реки преобладает аккумуляция взвешенных частиц (рис. 5.11–5.12) [Promakhova, Alexeevsky, 2015]. В нижнем течении Орхона при уменьшении уклонов русла и изменении «источников» питания реки наносами (впадение Туула) происходит осаждение частиц, оно составляет 73 % от стока взвешенных наносов в вершине дельты Селенги (рис. 5.11). В нижнем течении река принимает притоки (Джида, Темник, Чикой), с которыми поступает почти 50 % общего стока наносов. Из-за пересыщения потока наносами ниже по течению на пологом участке русла наблюдается осаждение этих частиц, превышающее сток взвешенных наносов в вершине дельты в 1,6 раза. Хилок и Уда в паводки поставляют 48 % от общего стока взвешенных наносов, из которых 2 % переходят в состав русловых отложений на участке перед дельтой. На спаде паводков баланс наносов имеет схожий характер, аккумуляция наблюдается на тех же участках, но её величина в 2–5 раза меньше, в вершине дельты происходит размыв отложений, он равен 3 % от общего стока наносов (рис. 5.12).