Определение расхода пресных вод в полузатопленных морем карстовых полостях Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

РАЗДЕЛ 7.

ВОДООБЕСПЕЧЕНИЕ И ВОДООТВЕДЕНИЕ, ГИДРОМЕЛИОРАЦИЯ, ТЕПЛОСНАБЖЕНИЕ И ЭНЕРГЕТИКА

УДК 551.49:551.351.2

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСХОДА ПРЕСНЫХ ВОД В ПОЛУЗАТОПЛЕННЫХ МОРЕМ

КАРСТОВЫХ ПОЛОСТЯХ

Юровский Ю.Г.

Национальная академия природоохранного и курортного строительства

В статье рассматривается проблема определения расхода пресной воды от группы субмаринных источников в карстовой полости, наполовину затопленной морем. Обсуждаются вопросы использования карстовых вод для водоснабжения курортных городов Южного берега Крыма. Карст, субмаринные источники, дебит

Введение

Рациональное использование водных ресурсов - актуальная проблема в развитии водного хозяйства Крыма. При дефиците пресных питьевых вод невозможно нормальное развитие рекреации, курортных объектов, поселков и городов, куда вода подается не круглосуточно, а по жесткому графику. Поэтому определение дебита пресных субмаринных источников имеет серьезное научное и практическое значение. Использование нетрадиционных источников водоснабжения в настоящее время широко практикуется в ряде зарубежных стран, таких как Франция, Италия (остров Сицилия), ряде государств на побережье Адриатического моря, Японии, США, Новой Зеландии и других.

Анализ публикаций Первое теоретически обоснованное решение оценки расхода пресной воды из карстовой полости было предложено автором данной статьи в 1998г. [1]. Оно основывалось на совместном применении интегральных уравнений расходов русловых потоков с допущением, что карстовая полость в принципе может считаться руслом, и известных химических формул смешения [2]. Такое объединение гидродинамических и химических уравнений предполагало новый подход к изучению разноплотностных потоков (движение соленых морских и пресных карстовых вод). Наиболее полное описание методов изучения субмаринных источников приведено в монографии [3]. Дальнейшее совместные исследования автора и ученых Морского гидрофизического института Национальной Академии наук Украины (город Севастополь) позволило модифицировать (упростить) математические решения, приведенные в работе [1] и провести серию натурных наблюдений в наиболее крупной карстовой полости в районе мыса Айя, а также в соседних гротах и пещерах. Экспедиционные работы были тщательно подготовлены, а исполнители оснащены современными приборами и оборудованием Результатам совместных исследований посвящен ряд публикаций [4, 5, 6]. Нерешенными остался ряд методических вопросов, касающихся техники и сроков наблюдений (в частности мониторинга максимальных паводочных расходов).

Цель и постановка задач Целью проводимых работ было определение расхода пресных вод из очагов субмаринной разгрузки, как одной из важнейших составляющих водного баланса. Первой задачей было оценить величину разгрузки в самой крупной полости в районе мыса Айя, в пределах которой располагается несколько субмаринных источников и больших обводненных трещин. Второй задачей, в перспективе являлась оценка суммарного дебита всех других очагов стока подземных вод. Постановка практических задач включала в себя: отработку методики измерений скоростей течения воды на выходном створе

полости, определение температур, давления, плотности воды и характерных химических компонентов (кремнекислоты и фосфора). Дополнительные наблюдения включали в себя изучение особенностей динамики поверхностного распресненного слоя прибрежных вод с помощью дрифтеров (поплавков специальной конструкции). Все виды наблюдений должны были непосредственно связаны с конкретной синоптической ситуацией.

Методика исследований

Все измерения гидрологических, гидрофизических и гидрохимических параметров выполнялись новыми приборами, разработанными Морским гидрофизическим институтом Национальной Академии наук Украины (МГИ НАНУ), созданными для выполнения наблюдений как на глубине, так и в тонком поверхностном слое. Температура, соленость и давление воды измерялись гидрологическим CTD-зондом (в международной классификации «Сопёисйуку, tepmhtrature depth») марки ГАП-12Р (сокращенное название Гидрозонда автоматического портативного 12-и разрядного). В очагах субмаринной разгрузки поземных вод обычно наблюдается повышенная мутность обусловленная выносом минеральных и органических частиц. Оценка степени замутненности воды определялась с помощью специального устройства - «Мутномера».

Скорости течений измерялись новейшим прибором ИСТ-1 (измеритель скорости течений, конструкции МГИ), позволяющим регистрировать в цифровом виде реверсионные величины скоростей в водоемах и водотоках на глубинах до 25 метров с точностью не менее 0,01м/с (рис. 1).

Рис. 1. Общий вид прибора ИСТ - 1 и пульта регистрации сигналов

ИСТ-1, единственный из отечественных приборов, оснащенный, в отличие от обычных гидрометрических вертушок, не лопастным винтом, а ультразвуковыми датчиками, Эта конструктивная особенность позволяет проводить измерения в сильно турбулизированных потоках, с ярко выражеными пульсационными составляющими скростного поля.

Программа работ предусматривала выполнение двух гидрологических разрезов: поперечного, длиной 7 метров на выходном створе полости (станции № 1-7), и продольного, длиной 41 метр, вдоль оси полости (станции № 8 -13). На каждой станции по вертикали поперечного разреза с экспозицией 0,5 - 1,0 минута были проведены измерения временной изменчивости температуры и солености. Кроме того на каждой станции начиная с глубин 0,0 - 0,5 метра, с шагом 0,1 метр отбирались пробы воды для определения в них содержания кремнекислоты и фосфатов. Далее, до глубины 2 метра, пробы отбирались с шагом 0,5 метра.

В процессе исследований совершенствовались приемы и сама методика измерений в тонких приповерхностных слоях воды. Так, при измерении скоростей течений непосредственно с маломерного судна на горизонте Ъ = 0,1 метр были выявлены заметные вертикальные колебания прибора ИСТ - 1 с амплитудой до 0,1 метра, обусловленные волнами зыби. После установки прибора на специальный поплавок амплитуда вертикальных колебаний уменьшилась в три раза.

Точные измерения у вертикального клифа, в основании которого расположена карстовая полость, требуют предварительной подготовки и некоторых специальных технических приемов. В реальных условиях даже небольшая зыбь и ее отражение клифом

мешают измерениям. Для нейтрализации ее влияния применялись натянутые у входа в полость тросы и поплавки. Общий вид такой конструкции показан на рисунке 2.

Рис. 2. Система тросов и поплавков для крепления приборов у входа в карстовую

полость (коллаж А.В. Прусова)

Результаты исследований и их анализ

Гидрометеорологическая обстановка. Анализ карт температуры поверхности моря, полученных со спутника NOAA-17 показал, что период измерений совпал с ситуацией сгона, вызванного действием продолжительного западного ветра. При общем температурном фоне Черного моря 20 - 22оС температура на акватории, охваченной сгоном, упала до 13 - 15оС. Работы велись в штилевых условиях при высоте волны 0,3 метра, идущей на юго-восток с периодом 3 секунды.

Структура водной массы у входа в полость. Анализ данных измерений, выполненных на поперечном створе у входа в полость, показал наличие трех слоев вод:

- поверхностного, до глубины 1 - 1,5 метра, подверженного влиянию ветровых волн и зыби с максимальными скоростями течений из полости;

- среднего в интервале глубин 1.0(1,5) -6 м,. в котором температура воды и соленость почти постоянны;

- придонного, расположенного глубже 6м, в котором наблюдается компенсационный приток морской воды в полость.

Такое распределение слоев фиксировалось и в ранее проводимых наблюдениях [3], что свидетельствует о правильности выбранной методики исследований. В целом вертикальная структура водной толщи свидетельствует о том, что на поперечном разрезе у входа в полость наблюдается активная субмаринная разгрузка подземных вод. Графическое выражение характера разгрузки показано на рисунке 3.

Рис. 3. Гистограмма осредненных значений пульсаций скоростей поперечного профиля на горизонте Z =20см (где Z -глубина от поверхности)

Критическое рассмотрение временных рядов скоростей показывает, что их положительные значения соответствуют течению воды из полости в открытое море. И, наоборот, отрицательные - в полость. Максимальные зафиксированные значения флуктуаций скорости, равные ±0,3 м/с, примерно соответствуют орбитальным скоростям

и(х.2.1;) на поверхности наблюдавшейся зыби, период которой равен 3с. Длина волны X для этого периода на глубокой воде составляет около 14 м, что вполне приемлемо для наблюдений в устье полости, где глубина составляет 8,5м.

Анализ гидрохимических наблюдений свидетельствует, что максимальные изменения солености, с величиной градиента достигающей единицы на 0,1 м, происходят в слое 0 -1 метр, ниже которого вертикальные градиенты солености становятся близкими к нулю. Наименьшая соленость и наибольшая температура поверхностного слоя наблюдалась у северной стенки полости в районе водообильной трещины на станции №1. На продольном разрезе нами наблюдались два максимума наибольшего распреснения, которые можно оценить, как по наименьшему значению солености, так и по максимальной мощности распресненного слоя. Оба этих максимума находятся в непосредственной близости от довольно мощных субмаринных источников (стация №12 в кутовой части полости и стация №9 у выхода полости в море).

Распределение концентраций кремнекислоты и фосфора являются дополнительными показателями наличия субмаринной разгрузки пресных вод в полости. В принципе результаты химических анализов хорошо согласуются с результатами измерения солености. Однако, в условиях штиля они позволяют получить более четкую картину стратификации водной тощи на выходе из полости.

Оценка расхода пресной воды из полости. Для расчетов использовались все полученные данные в ходе наблюдений: величины измерения скоростей, солености, концентрации кремнекислоты и фосфора. Расчеты выполнялись с использованием выражения:

0 = ] )иср(х,2) • ^ Хdxdz

0 0 ф пресн

где 0 - расход пресной воды; х.2 - ширина и глубина на входе в полость; Ь.И -максимальная ширина и глубина водной толщи; иср(х.2) - средняя скорость течения в точке (х,2) сечения; 8ф - фоновая соленость морской воды; 8(х,2) - соленость измеренная в точке (х,2); Бпресн - соленость (общая минерализация) пресной воды субмаринных источников.

Суммарный расход пресной воды из полости в 2007г. составил 1915 м3/сут. Суммарный расход из всех очагов субмариной разгрузки по измерениям на полигоне составил в 2007г - 8,5 • 103 м3/сут., в 2008 - 10 000 м3/сут., в 2009 - 10500 и в 2010 опять 10000 м3/сут.

Выводы

Все измерения расходов пресной воды из очагов субмаринной разгрузки выполнялись в меженный период после длительной засухи. Сопоставить данные меженного стока очагов субмаринной разгрузки с паводковыми расходами можно только по аналогии с крупными субаэральными источниками данного района Крыма. Например, колебания дебита Скельского источника в межень и паводок меняются от 0,15 до 2,86 м3/с, то есть почти на 2 порядка, при среднегодовом дебите 1,37 м3/с, [7] В некоторые годы Скельский источник вообще пересыхает. Субмаринные источники у мыса Айя не пересыхают никогда. Они могут снабжать питьевой водой города Балаклаву и Севастополь с гарантированным среднегодовым расходом 10 - 50 тысяч кубических метров в сутки. При этом, качество воды соответствует последнему стандарту принятому в Украине [8].

Список литературы

1. Юровский Ю.Г. Оценка величины субмаринной разгрузки карстовых вод в районе мыса Айя // Морской гидрофизический журнал.- Севастополь: МГИ НАНУ.- 1988. -№3.- С. 78 - 80.

2. Коротков А.И. Гидрохимический метод в геологии и гидрогеологии / А.И. Коротков, АН. Павлов - Л.: Недра. - 1972.- 184 с.

3. Юровский Ю.Г., Гидрогеология шельфовых областей / Юровский Ю.Г., Байсарович И М. - Симферополь: дИаЙПИ, 2005. - 180 с.

4. Иванов В.А. Субмаринная разгрузка у мыса Айя (Крым) / Иванов В.А., Прусов А.В., Юровский Ю.Г. // Геология и полезные ископаемые Мирового океана.- К.: 2008.- №3.-С. 65 -75.

5. Иванов В. А. Новые данные о субмаринной разгрузке подземных вод у м. Айя (Крым) / Иванов В.А., Прусов А.В., Юровский Ю.Г. // Доклады Национальной Академии Наук Украины.- К.: 2008.- №7.- С. 105 - 111.

6. Кондратьев В.И. Наблюдения субмаринной разгрузки подземных вод (Южный Крым) / Кондратьев В.И., Прусов А.В., Юровский Ю.Г. // Морской гидрофизический журнал.- Севастополь: МГИ НАНУ.- 2010.- №1.- С. 32 -45.

7. Дублянский В.Н. Гидрогеология карста Альпийских складчатых областей юга СССР/ Дублянский В Н., Кикнадзе Т.З. - М.: Наука. - 1984. - 127 с.

8. Государственные санитарные нормы и правила «Гигиенические требования к воде питьевой, предназначенной для употребления человеком» (ДСанПин 2.2. 4-171-10). К. -2010.- 18с.

УДК 696.2(075.8) Боровский Б.И.

Национальная академия природоохранного и курортного строительства

РАЗМЕРНЫЕ КОМПЛЕКСЫ ПРИРОДНЫХ ГАЗОВ В СИСТЕМЕ

ГАЗОСНАБЖЕНИЯ

Получены размерные комплексы при высшей и низшей объёмной теплоте сгорания для четырёх групп природных газов: газы газового состояния при нормальных условиях по температуре и давлению ( метан, этан, пропан, Н-бутан, изобутан ); пары газов жидкого состояния при нормальных условиях ( пентаны, гексаны, гептаны, октаны, нонаны ); газы газового и жидкого состояния при нормальных условиях (метан, этан, пропан, Н-бутан, изобутан, пентаны, гексаны, гептаны, октаны, нонаны ); пары бензола и толуола, находящихся в жидком состоянии при нормальных условиях. Показано, что размерный комплекс при низшей объёмной теплоте сгорания для газов газового состояния может быть использован при гидравлическом расчёте газовых систем.

Природный газ, размерный комплекс, газоснабжение, гидравлический расчёт

Введение

В науке и технике широко используются безразмерные и размерные комплексы, которые комплексно характеризуют реальные процессы.

В газоснабжении также нашли применения безразмерные и размерные комплексы. Номенклатуру размерных комплексов в газоснабжении предполагается расширить в данной статье.

Анализ публикаций

В газоснабжении безразмерными комплексами являются коэффициент гидравлического сопротивления, относительная шероховатость внутренней поверхности трубы, число Рейнольдса, а к размерным комплексам относятся потери давления, отнесённые к единице длины трубы и число Воббе [1,2]. Число Воббе равно отношению объёмной теплоты сгорания газа к корню квадратному из относительной плотности газа и характеризует постоянство теплового потока, полученного при сжигании газа [2,3]. В ГОСТ [2] приведены параметры природных газов- высшая и низшая объёмная теплота сгорания (МДж/м3) и относительная плотность по воздуху рот=рг/рв при давлении 101,325 кПа и температуре 0 и 200С. К природным газам, находящимся в газообразном состоянии при нормальных условиях, относятся пять газов: метан, этан, пропан, Н-бутан и изобутан.