Автор работы: Пользователь скрыл имя, 24 Февраля 2015 в 19:47, реферат
Информация о донных наносах является крайне необходимой для проектирования и строительства различных гидротехнических сооружений, мостовых переходов, каналов различного назначения, дамб обвалования и других сооружений. Так, по данным экспертиз, около 20 % аварий мостов происходит из - за несовершенства расчетов русловых деформаций, основанных на информации о стоке донных наносов. В тоже время расходы донных наносов на сети гидрометслужбы не измеряются, а данные специальных наблюдений, в частности, за грядовым режимом перемещения наносов, как правило, не публикуются.
Введение
Актуальность темы
Информация о донных наносах является крайне необходимой для проектирования и строительства различных гидротехнических сооружений, мостовых переходов, каналов различного назначения, дамб обвалования и других сооружений. Так, по данным экспертиз, около 20 % аварий мостов происходит из - за несовершенства расчетов русловых деформаций, основанных на информации о стоке донных наносов. В тоже время расходы донных наносов на сети гидрометслужбы не измеряются, а данные специальных наблюдений, в частности, за грядовым режимом перемещения наносов, как правило, не публикуются.
Анализ формул для расчета транспортирующей способности потока показал, что они применимы в ограниченном диапазоне изменения переменных, а погрешности расчетов по ним часто выходят за допустимые пределы.
В середине 50 — х годов прошлого века был вскрыт эффект взаимодействия руслового и пойменного потоков, но до настоящего времени не выполнена оценка влияния этого эффекта на транспортирующую способность русла. Хотя эта проблема имеет большое научное и практическое значение, так как основная часть стока донных наносов проходит именно в периоды высоких паводков и половодий. Актуальным также является совершенствование методов гранулометрического анализа проб наносов.
Гранулометрический состав донных отложений и взвешенных наносов в расширенном диапазоне размеров
Гранулометрический состав наносов всегда считался одним из основных факторов, определяющих их водно-физические и механические свойства. В настоящее время существуют различные системы классификации наносов и грунтов по крупности. Тем не менее, для выполнения работ, связанных с решением геоэкологических проблем и проведением соответствующих изысканий на водных объектах, целесообразно использовать систему, принятую в классической гидрологии и на стационарной сети Казмгидромета. До последнего времени на практике применялись 4 метода разделения по крупности - непосредственный обмер частиц (для частиц в диапазоне размеров от 100 и более мм до 10 мм), использование сит (для частиц размеров 1-10 мм), фракциометра (для частиц размеров 0.05 - 1 мм) и пипеточной установки (для частиц размеров 0.001 - 0.05 мм). Два последних метода называются гидравлическими, поскольку основаны на принципе осаждения частиц в стоячей воде. Таким образом, использование того или иного метода зависит от крупности анализируемых наносов. Эти же принципы накладывают и ограничение на их применимость, которая обусловлена скоростью осаждения частиц, именуемой гидравлической крупностью. Как показывают результаты экспериментальных исследований, гидравлическая крупность частиц размером 0.001 мм составляет 0.000 000 78 м/с, т.е. за сутки эти частицы оседают лишь на 6.7 см. Частицы меньшего размера могут не оседать вовсе, поддерживаясь в толще воды за счет броуновского движения. В этой связи оценка гранулометрического состава наносов и их дифференциация по размерам осуществлялась только до крупности 0.001 мм. Частицы меньших размеров просто относились к фракции «глин» (таблица 5). Такое ограничение имело место, как для стандартных мониторинговых, так и специализированных научных работ.
Однако результаты последних исследований показали, что информация о гранулометрическом составе наносов размером менее 1 мкм является очень важной, поскольку они обладают высокой проникающей способностью. В вышедших обзорах, посвященных природным и техногенным нанообъектам, утверждается, что наночастицы размером 70 нм могут проникать в легкие, 50 нм - в клетки тканей, 30 нм - в кровь и клетки мозга человека. Для достижения эффекта всасывания субстанций в желудочно-кишечном тракте человека достаточно, чтобы размер частиц был менее 500 нм. При этом отрицательное воздействие на организм человека они могут оказывать и без сорбционной загрязняющей нагрузки. Что же говорить о частицах, обеспечивающих «адресную доставку» загрязнений в определенные органы человека.
Среди существующих методов и способов гранулометрических анализов мельчайших твердых частиц, применяемых в медицине, геологии, океанологии и смежных науках можно выделить следующие, как наиболее подходящие для гидрологических исследований.
Кондуктометрический метод. Данный метод основан на измерении влияния включений частиц, взвешенных в некотором объеме электролита, на электрическое сопротивление этого объема.
Лазерный дифракционный метод. В основе лазерного дифракционного метода лежит принцип зависимости углового распределения рассеянного частицами света (индикатриса рассеяния) от размера частиц.
Прямой метод микроскопического исследования взвеси. Данный метод предполагает использование сканирующего электронного микроскопа.
Метод мембранной фильтрации взвеси. В указанном методе предусматривается последовательная фильтрация пробы воды с наносами через несколько мембранных ядерных фильтров со строго калиброванными размерами пор. Основное преимущество данного прямого метода измерений заключается в возможности (кроме количественной оценки гранулометрического состава) получения материала для исследования вещественного состава и степени загрязненности пробы. Существенным недостатком данного метода является нижний предел применимости, ограниченный диаметром пор мембранных фильтров.
В результате выполненной апробации различных видов анализов и оценки преимуществ и недостатков конкретных методов и приборов для целей исследования гранулометрического состава, сделано заключение, что наиболее предпочтительным для массовых измерений в пресноводных объектах является использование лазерных анализаторов крупности частиц. Данное заключение было использовано при постановке в рамках данной работы исследований частиц донных и взвешенных наносов в расширенном диапазоне размеров на крупном водном объекте.
Обработка проб наносов на посту
Для правильного проведения первичной обработки проб наносов станция должна обеспечить посты необходимыми приборами и оборудованием, создать соответствующие условия для работы и обратить внимание наблюдателя на специфику этих работ.
Помещения где фильтруются пробы, должно содержаться в чистоте. Следует обучить наблюдателя бережному обращению с фильтрами, особенно при укладке их в воронку или на прибор Куприна, не допускать повреждения фильтра в процессе Работ, так как это влечет за собой потерю в массе фильтра, а следовательно, и ошибку в определении мутности.
Для повышения точности фильтрования при большой мутности и облегчения оботы наблюдателя станция должна обеспечить посты раствором хлористого кальция.
необходимо обучить наблюдателя правильно отсифонивать после отстоя осветленную воду так чтобы не взмутить осадок. Если одна проба отстаивалась в нескольких сосудах, то она после отсифонивания тщательно собирается в один сосуд. Посты необходимо снабдить простыми стеклянными и резиновыми сифонами с боковыми отверстиями в заборном наконечнике, закрытым снизу пробочкой.
если проба взята на определение мутности воды, остаток пробы после отсифонивания осветленной воды ставится на фильтрование.
если проба взята на определение крупности наносов, переводят в бутылку, которая хорошо закупоривается резиновой пробкой, заливаемой сверху сургучем или парафином.
после выполнения первичной обработки проб наносов с поста в лабораторию высылаются:
Обработка проб наносов
в лаборатории
В лаборатории производится:
Взвешивание пустых фильтров
Применяются специально приготовленные среднефильтрующии беззольные чистые фильтры диаметром 11-13 см. применение фильтров, изготовленных собственными средствами из фильтровальной бумаги, недопустимо.
Фильтр осторожно складывается вчетверо. На середине края четвертушки пишется порядковый номер фильтра простым карандашом, после чего фильтр кладется в стеклянный бюкс номером кверху.
Фильтры нумеруются в порядке взвешивания с начала до конца года, пишется номер и год.
Фильтры в открытых бюксах сушатся в термостате при устойчивой температуре воздуха в ней в пределах 105-110 градусов Цельсия в течении 2 ч. Бюкс ставится на полку термостата. Крышечка от бюкса кладется рядом с бюксом. По истечении 2 ч бюксы в термостате быстро накрываются крышечками, затем они вынимаются из термостата и ставятся в эксикатор, где охлаждаются до комнатной температуры в течении 45 минут. Эксикатор ставится рядом с весами, на которых будет производится взвешивание фильтров.
Охлажденные бюксы взвешиваются сна аналитических весах с точностью до 0,0001 г. Взвешивание пустых фильтров (а также фильтров с наносами) можно выполнить без введения поправок на разновесы.
Контрольные высушивания и взвешивания фильтров производятся для выявления достаточности удаления гигроскопической влаги, что устанавливается по достижении постоянства массы фильтров (разность допустима не выше 0,001 г).
После взвешивания фильтр вынимается из бюкса и выкладывается в отдельный конвертик из восковой бумаги.
Взвешенные пустые фильтры лабораторией пересылаются на станции и посты.
Определение количества наносов в пробах
Пробы (образцы) взвешенных наносов поступают в лабораторию в бутылках с жидким осадком после отстоя или в полиэтиленовых мешочках и пакетах из восковой бумаги, если осадок выпарен; пробы влекомых и донных наносов, а также грунтов – в плотных матерчатых или полиэтиленовых мешочках после их просушки на воздухе. Все поступающие в лабораторию регистрируются.Взвешивание фильтров с наносами производится в том же порядке, что и пустых фильтров, но бюксы с наносами ставятся в термостат на 3 ч.Если масса наноса на фильтре превышает 1 г, разрешается фильтр с наносами взвешивать на аналитических весах с точностью до 0,001 г. Данные, полученные в процессе определения массы наноса, заносятся в журнал взвешивания наносов и фильтров (КГ-51). В присланную с поста полевую книжку заносится из этого журнала масса наноса и соответствующий номер журнала. После этого полевая книжка (КГ-10) пересылается на станцию для дальнейшей обработки. Органическая часть наноса входящая, входящая в общую его массу, определяется для 30% измеренных расходов наносов. В этом случае все фильтры с наносами взвешиваются дважды, чтобы при обработке и анализе данных не возникло потребности в проверке массы наноса, которая уничтожена.
По определении массы фильтры с наносами данного расхода помещаются в заранее прокаленный и взвешенный фарфоровый тигель, сжигаются и прокаливаются в муфельной печи в течении 1-1,5 ч. Зола с тиглем остужается в эксикаторе и взвешивается на аналитических весах. Разность между полученной массой и массой тигля представляет массу минеральной части наноса. Из массы наноса вычитается масса его минеральной части, что дает массу органических веществ. Если зольность фильтра превышала 0,0001 г, то она должна вычитаться из массы золы в тигле.Масса органической части наноса определяется суммарно со всех проб, относящихся к одному и тому же расходу наносов, и выражается в граммах и в процентном отношении к общей массе наносов на всех фильтрахПробы взвешенных наносов, поступившие в бутылках или банках на определение крупности, перекладываются в бюксы или фарфоровые чашки известной массы и ставятся на водяную или песчаную баню для выпаривания воды, а затем остывшие на воздухе до комнатной температуры взвешиваются приближенно на химико-технических весах(с точностью до 0,1 г) в целях установления достаточности их количества для производства анализа крупности наносов пипеточным методом. Масса наноса записывается на пакетике, в котором хранится нанос до его анализа.Пробу влекомых наносов из пакетика полностью перекладывают в фарфоровую чашку и в воздушно- сухом состоянии взвешивают на химико-технических весах с точностью до 0,01 г. Разность значений масс чашки с наносом и чашки даст массу уловленного наноса.
Определение гранулометрического состава наносов
Определение гранулометрического состава взвешенных, влекомых и донных наносов заключается в подготовке образца к анализу, проведение анализа и в его обработки.
Анализы выполняются в зависимости от крупности частиц наносов соответствующими методами: пипеточным, фракциометра, ситовым и простым обмером частиц.
Для производства гранулометрических анализов требуется следующее количество наносов:
пипеточным и комбинированным методом пипетка – фракциометр для анализа до крупности частиц 0,001мм -0,5-5,0г;
методом фракциометра – 0,5-2,0 г;
ситовым и комбинированным методом сита – фракциометр;
однородных по крупности песков – 100-200г; гравелистых песков- 300-500г; галечно-гравелистых песков- 500-700г.
Для определения плотности частиц донных наносов, плотности смеси наносов в отественном залегании и содержания в донных наносах гигроскопической влаги требуется дополнительное количество образца:
70г – мелкого состава (с преобладанием частиц мельче 0,1мм);
100г – среднего (с преобладанием частиц от 0,1 до 1,0 мм);
200г – крупного (с наличием частиц крупнее 1мм);
300 г- очень крупного (с наличием частиц крупнее 10 мм).