Современные методы и технические средства экологического мониторинга устьев малых рек

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ

Задачам исследования гидрологических процессов в устьях рек посвящено достаточно много работ как зарубежных, так и отечественных авторов. В настоящее время исследования устьев рек включают в себя постоянный экологический мониторинг с использованием стационарных постов (устьевых станций) [12, 11, 8], а также математическое моделирование [1, 5]. При этом использование моделей позволяет получить достаточно широкий набор характеристик водного объекта в различных пространственно-временных масштабах. В то же время основной проблемой в данной области является верификация модельных расчетов, а именно сопоставление полученных результатов с натурными данными, что выполняется редко. В соответствии с этим наиболее эффективным методом изучения устьевых процессов является сочетание моделирования, методов дистанционного зондирования и верификации результатов путем сопоставления с натурными данными, полученными на стационарных постах и в экспедиционных исследованиях.

В настоящее время сеть устьевых станций ограничена, а на малых реках они в основном отсутствуют. При этом малые реки, в частности в Крыму, имеют важное значение как в экологическом, так и в инфраструктурном плане, и их изучение является актуальной и востребованной задачей. Наиболее эффективным способом экологического мониторинга данных географических объектов является организация комплексных экспедиционных исследований, цель которых заключается в получении натурных данных для оценки современного экологического состояния водного объекта, баланса вещества и энергии, процессов смешения речной и морской воды, транспорта наносов и дальности проникновения соленой воды на устьевой участок реки. В свою очередь эта информация позволит дать физико-географическую характеристику, выполнить анализ изменчивости гидрологических параметров под влиянием природных и антропогенных факторов, спрогнозировать возможные изменения в процессах распределения соленой и пресной воды, осадконакопления в устьевой области, а также сформулировать рекомендации по предотвращению возможных негативных последствий хозяйственной деятельности в прилегающих к устью реки районах.

Основная цель работы состоит в том, чтобы разработать методику комплексных экспедиционных исследований процессов и явлений в устьях малых рек и продемонстрировать результаты, полученные с использованием современных приборов отечественной разработки для решения практических задач экологического мониторинга в устье р. Черной (г. Севастополь).

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

В 2017–2022 гг. в МГИ РАН проводились экспедиционные исследования в устьевой области р. Черной (г. Севастополь). Морское устье р. Черной включает устьевой участок реки и сложное устьевое взморье — Инкерманский лиман, Севастопольскую бухту и прилегающую часть Черного моря (рис. 1) [9].

Рис. 1. Морское устье р. Черной

Устьевой участок р. Черной и прилегающее взморье активно используются в практических целях. Здесь осуществляется судоходство, имеются стоянки судов, производится сброс сточных вод, планируется и осуществляется реконструкция и строительство причальных сооружений и объектов портовой инфраструктуры. На р. Черной расположено Чернореченское водохранилище, являющееся основным источником пресной воды г. Севастополя.

В то же время, несмотря на хозяйственную деятельность, процессы, протекающие в устье, остаются малоизученными. Основной задачей натурных исследований являлось получение натурных данных о солености, температуре и мутности воды, концентрации взвешенных наносов, а также составляющих баланса воды, тепла и веществ (скорость и направление течений, расход воды). Их определение дает возможность проанализировать особенности проникновения соленой воды в Инкерманский лиман и на устьевой участок реки, изучить процессы смешения в устье реки, поступление наносов с речным стоком, а также осадконакопление в рассматриваемой акватории.

На основании полученного в ходе выполнения работ опыта была разработана методика проведения экспедиционных работ в устьях малых рек с использованием современных методов и средств измерений.

По результатам рекогносцировочной экспедиции были получены предварительные данные об объекте исследования. В ходе анализа географических особенностей местности определены гидрометрические створы и необходимое количество станций. На рисунке 2 показана схема расположения створов в устье р. Черной.

Рис. 2. Спутниковый снимок устья р. Черной (а), схемы створов в устье (б) и в Инкерманском лимане (в)

При выборе створов учитывались особенности местности, наличие гидротехнических сооружений (мостов, плотин, переходов), подъездные пути. Для определения профиля дна в створах выполнялись батиметрические съемки с использованием лотлиня и эхолота Garmin Echomap 42dv. Выполненные промерные работы позволили получить представление о рельефе дна устья. Для примера на рисунке 3 представлен продольный профиль участка устья реки от створа 4 до створа 2.

Рис. 3. Продольный профиль отдельного участка устья р. Черной

Благодаря данным работам была выявлена локальная область аккумуляции наносов в районе 3 створа (рис. 4). Образование данной области предположительно связано с располагавшимся там ранее железнодорожным мостом, а также приливными и сгонно-нагонными явлениями.

Рис. 4. Спутниковый снимок участка устья р. Черной с отмеченной областью аккумуляции наносов

Сезонные экспедиции выполнялись ежеквартально, их целью являлось выявить сезонные особенности процессов и явлений в устьевой области. В ходе таких экспедиций проводились метеорологические наблюдения с использованием мобильной метеостанции и уровнемера для фиксации изменений уровня воды в реке, а также получения информации о погодных условиях: температуре и влажности воздуха, атмосферном давлении, скорости и направлении ветра. С помощью современных технических средств определялись характеристики водной среды по каждому створу: концентрация общей взвеси (мутность), соленость и температура воды, скорость течения, наличие турбулентных и застойных зон.

Так, для получения данных о солености и температуре применялись современные CTD-зонды [3]. В частности, использовался разработанный в МГИ РАН гидрозонд «ГАП-АК-12Р» [4, 16], основные характеристики и фотоизображение которого представлены на рис. 5.

Рис. 5. Фотоизображение и характеристики гидрозонда «ГАП-АК-12Р»

Прибор использовался в автономном режиме. Работы выполняли методом зондирования. Для каждой станции были определены измерительные горизонты с шагом 0.25 м, но не менее трех (придонный слой, середина глубины станции, поверхностный слой). Прибор полностью погружали в воду в поверхностном слое и далее постепенно опускали до соприкосновения со дном с выдержкой прибора на каждом измерительном горизонте в течение 30–60 с. Применение такой методики измерений позволило получить репрезентативные данные с учетом особенностей области выполнения измерений, характеризующейся высокой динамической активностью водных масс.

По результатам обработки полученных с CTD-зонда данных сделаны оценки распределения солености в створах по направлению к вершине устья р. Черной (рис. 6). На профилях хорошо визуализируется расслоение водного потока. Наибольший вертикальный градиент солености, рассчитанный между поверхностью и дном, в нижней части участка работ наблюдался на ст. 8 створа 4 и составлял 3.14 ‰/м. По данным измерений в створах 7, 8 видно, что характер расположения потоков соленой и пресной воды в целом не изменялся, в то время как соленость воды по направлению к реке закономерно уменьшалась, а расслоение возрастало. Так, максимальный вертикальный градиент на ст. 2 створа 8 достигал 7.72 ‰/м.

Рис. 6. Пространственная изменчивость солености в устье р. Черной, 2022 г.

Применение CTD-зондов в области смешения морских и речных вод в устьях рек позволяет исследовать структуру разнородных потоков, определять границы области смешения морских и речных вод и дальность проникновения морской воды в устье.

Для исследования процессов седиментации и транспорта наносов проводились измерения концентрации взвеси, мутности, скорости и направления течения. Для этих целей применялся зондирующий биофизический комплекс «Кондор» (НПП «Аквастандарт») [6]. Его изображение и технические характеристики показаны на рис. 7.

Рис. 7. Изображение биофизического комплекса «Кондор» и его технические характеристики

Данный комплекс предназначен для оперативного проведения исследований пространственного распределения и вертикальной стратификации основных параметров, характеризующих биофизические свойства водной экосистемы. В его составе использовались следующие модули: турбидиметр-мутномер с каналом гидростатического давления, измеритель скорости течения, измеритель солености (электропроводности), измеритель температуры [6].

Измерения выполняли на каждой станции методом зондирования до дна со скоростью порядка 0.2 м/с. Для измерения скорости и направления течения при достижении дна комплекс приподнимался на 0.1–0.2 м и выполнялась его выдержка на горизонте в течение 30–60 с для получения осредненных данных. Затем комплекс приподнимался на 0.5 м и вновь проводилось измерение скорости и направления течения — и так до поверхностного 0.5-метрового слоя воды. Пересчет измеряемых единиц мутности (ЕМФ) в весовые единицы (мг/л) для расчета концентрации общей взвеси проводился в соответствии с методикой, описанной в работе [15]. Пример построенных распределений мутности и скорости течения представлен на рис. 8.

Рис. 8. Пространственная изменчивость мутности и скорости течения в створе 4 в устье р. Черной, 2020 г.

В ходе работ с помощью комплекса были получены данные о мутности, концентрации взвеси, скорости и направлении течения, данные о среднем размере взвешенных частиц. Определены зоны седиментации в устье реки, а также объем поступления взвешенных наносов в приемный водоем.

Благодаря применению новых методов мониторинга гидрологических параметров, основанных на использовании фото- и видео-регистрации, выполнен анализ динамических характеристик и структуры течения водного потока. Для этих целей использовался разработанный экспериментальный образец прибора «Визуализатор потока», позволяющий получать мгновенные и осредненные поля распределения скорости течения в широких пространственном и временном диапазонах.

Работа прибора основана на использовании метода анемометрии по изображениям частиц (PIV-метод) [17]. Суть метода заключается в следующем: в поток вносятся специальные частицы-трассеры, которые освещаются в течение определенного промежутка времени системой подсветки. Одновременно с этим происходит регистрация видеоизображения на цифровую камеру. Последующая обработка изображений позволяет рассчитать смещения частиц и построить двумерное векторное поле скорости. Для определения скорости частиц используется кросс-корреляция двух последовательных изображений.

Разработанный экспериментальный образец прибора состоит из устройства подсветки, цифровой видеокамеры, элементов крепления/позиционирования и программного обеспечения для обработки данных. Его изображение представлено на рис. 9.

Рис. 9. Изображение экспериментального прибора «Визуализатор потока»

Методика выполнения натурных экспериментов заключалась в следующем: после предварительной настройки системы и выполнения калибровки измеритель опускался в воду на заданный горизонт с использованием телескопической штанги, далее с помощью специальной пластины, выполняющей роль флюгера, установка разворачивалась по направлению течения потока и производилась видеосъемка в его продольном сечении. В качестве трассеров использовались уже имеющиеся в толще воды природные частицы взвеси [2]. На рис. 10 показан пример обработки полученных видеоданных с построенным полем скорости течения для поверхностного слоя воды [14].

Рис. 10. Пример полученного изображения (слева) и построенное мгновенное поле скорости течения в поверхностном слое воды (справа)

Применение данного прибора в экспедиционных исследованиях позволило получить более детальное представление о тонкой структуре течения, выявить турбулентные и застойные зоны. На рис. 11 показано распределение средней скорости водного потока в створе 4 в устье р. Черной, построенное с использованием полученных прибором данных.

Рис. 11. Распределение средней скорости течения водного потока в створе 4 в устье р. Черной

Для верификации полученных данных параллельно выполнялись аналогичные эксперименты по определению скорости течения с использованием биофизического комплекса «Кондор» [6]. Результаты исследований обоими методами хорошо совпадают, расхождения не превышают 9%. Это подтверждает достоверность и достаточно высокую точность получаемых данных с использованием методов видеорегистрации.

Применение данного прибора позволяет определять скорость течения и получать данные о динамике водного потока в диапазоне скоростей до 2 м/с. Кроме того, данный измеритель можно использовать при исследовании сложных турбулентных течений, процессов переноса донных наносов, что в свою очередь дает возможность получить более детальное представление о характере природных процессов и их особенностях.

Для определения стока воды в устьевой области применялся новый разработанный метод, основанный на обработке полученных видеоизображений водного потока реки и данных батиметрических измерений в створе. Данный метод основан на определении поверхностной скорости течения и может использоваться для оценки расхода воды в устьях малых рек на мелководных и нестратифицированных участках. Промерные работы выполнялись с помощью лотлиня, а для малых глубин — гидрометрической штангой.

Методика определения расхода воды с помощью нового метода заключается в последовательном выполнении ряда этапов:

Определение реперных расстояний на местности, вычисление коэффициентов для пересчета расстояний и размеров на полученных изображениях в реальные единицы измерения.

Регистрация видеоизображений, на которых должны быть видны оба берега с реперными отметками и створ, в котором выполнены батиметрические измерения. Для точного определения скорости течения на поверхности воды должна присутствовать рябь, волнение (поверхность визуально не должна быть гладкой). При ее отсутствии рекомендуется использовать трассеры. В проводимых экспериментах в качестве трассеров применялся природный материал (листья, трава, части веток и др.), который равномерно распределялся по всей ширине реки перед областью регистрируемого участка (ширина створов для определения расхода не превышала 12 м).

Построение поля поверхностной скорости потока с использованием PIV метода [13] и программного обеспечения Matlab, определение створа на изображении и расчет средних значений поверхностной скорости течения для каждого участка.

Расчет расхода воды по методу «площадь-скорость», используя следующие соотношения [7]:

$Q=\sum qi$

$q_i =k\times s_i\times v_i$,

где Q — общий расход воды, м³/с; q_i — расход воды i-го участка, м³/с; v_i — средняя поверхностная скорость течения для i-го участка, м/с; s_i — площадь i-го участка, м², k — переходный коэффициент, учитывающий изменение скорости течения по глубине потока.

Значения переходного коэффициента k было выбрано равным 0.8 в соответствии с методикой [7] для глубин водного потока до 1 м песчано-галечного русла с ровными берегами без растительности. Для верификации нового метода применялся стандартный метод с использованием поплавков нейтральной плавучести [10]. Расхождения в результатах определения расхода воды с помощью обоих методов не превышали 10%.

На рис. 12 и 13 показаны примеры программной обработки видеоизображений участка устьевой области с помощью PIV метода и полученные данные о расходе воды в одном из створов реки.

Рис. 12. Пример обработки видеоизображений водного потока реки для определения поверхностной скорости водного потока

Рис. 13. Результаты батиметрических измерений и диаграмма расхода воды в створе 1 р. Черной

Основным преимуществом использования методов, основанных на видеорегистрации, является возможность получения оперативных данных об исследуемых гидрологических характеристиках без наличия дорогостоящего оборудования и необходимости организации комплексных экспедиций. Так, можно получить данные о стоке воды в исследуемом устье реки в любое время, прибыв на заранее размеченный створ и используя только камеру, позволяющую снимать видеоизображение необходимого качества.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Применение новых методов и средств измерения отечественной разработки позволяет оперативно получить натурные данные, необходимые для изучения процессов динамического взаимодействия речных и морских вод в устьях малых рек. Использованные при проведении измерений приборы обладают многими достоинствами, позволяющими проводить совместные измерения вертикальных распределений скорости течения и концентрации взвешенного вещества, а также параметров стратификации — температуры и солености воды.

Результаты экспедиционных работ, описанные в работе, демонстрируют потенциальные возможности используемого оборудования, что в дальнейшем позволит применить описанные приборы, методы, организационно-технические приемы для решения практических задач комплексного водно-экологического мониторинга различных водных объектов.

Источники финансирования. Работа выполнена в рамках государственного задания по теме №FNNN-2021-0005 «Комплексные междисциплинарные исследования океанологических процессов, определяющих функционирование и эволюцию экосистем прибрежных зон Черного и Азовского морей» (шифр «Прибрежные исследования»).

Об авторах

Д. А. Антоненков

Автор, ответственный за переписку.
Email: dmitry_science@mail.ru
Россия, Севастополь

Список литературы

Дополнительные файлы

Доп. файлы

Действие

1. JATS XML

Скачать

2. Рис. 1. Морское устье р. Черной

Скачать (173KB)

Метаданные

3. Рис. 2. Спутниковый снимок устья р. Черной (а), схемы створов в устье (б) и в Инкерманском лимане (в)

Скачать (374KB)

Метаданные

4. Рис. 3. Продольный профиль отдельного участка устья р. Черной

Скачать (199KB)

Метаданные

5. Рис. 4. Спутниковый снимок участка устья р. Черной с отмеченной областью аккумуляции наносов

Скачать (458KB)

Метаданные

6. Рис. 5. Фотоизображение и характеристики гидрозонда «ГАП-АК-12Р»

Скачать (348KB)

Метаданные

7. Рис. 6. Пространственная изменчивость солености в устье р. Черной, 2022 г.

Скачать (353KB)

Метаданные

8. Рис. 7. Изображение биофизического комплекса «Кондор» и его технические характеристики

Скачать (333KB)

Метаданные

9. Рис. 8. Пространственная изменчивость мутности и скорости течения в створе 4 в устье р. Черной, 2020 г.

Скачать (251KB)

Метаданные

10. Рис. 9. Изображение экспериментального прибора «Визуализатор потока»

Скачать (332KB)

Метаданные

11. Рис. 10. Пример полученного изображения (слева) и построенное мгновенное поле скорости течения в поверхностном слое воды (справа)

Скачать (175KB)

Метаданные

12. Рис. 11. Распределение средней скорости течения водного потока в створе 4 в устье р. Черной

Скачать (246KB)

Метаданные

13. Рис. 12. Пример обработки видеоизображений водного потока реки для определения поверхностной скорости водного потока

Скачать (424KB)

Метаданные

14. Рис. 13. Результаты батиметрических измерений и диаграмма расхода воды в створе 1 р. Черной

Скачать (199KB)

Метаданные