CC BY
18
Труды ИБВВ РАН, 2018, вып. 81(84)
Transactions of IBIW RAS, 2018, issue 81(84)
УДК 556.555.6:551.777
ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ ДОННЫХ ОСАДКОВ ВЕРХНЕВОЛЖСКИХ ВОДОХРАНИЛИЩ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ГРУНТОВОЙ СЪЕМКИ 2016 г.
А. В. Ермаков1, В. В. Законнов2
'Геологический институт РАН 119017Москва, Пыжевский пер, 7, e-mail: a.v.ermakov@gmail.com 2Институт биологии внутренних вод им. И.Д.Папанина РАН '52742 пос. Борок, Ярославская обл., Некоузскийр-н, e-mail: ZAK@ibiw.yaroslavl.ru
В работе изложены результаты исследования теплопроводности (коэффициента теплопроводности) донных осадков трех водохранилищ верхневолжского каскада: Иваньковского, Угличского и Рыбинского по материалам грунтовой съемки 2016 г. В полевых, а затем в лабораторных условиях теплопроводность определяли нестационарным методом линейного источника тепла постоянной мощности. Измерения выполняли на 36 стандартных грунтовых станциях. Теплофизические исследования на водохранилищах возобновлены после значительного перерыва, при этом полученные значения впервые привязаны к конкретным станциям. Такой подход дает возможность не только выявить связь величины теплопроводности с типами осадков и изменениями характеристик в пределах типа, но и оценить ее пространственную изменчивость и связь с условиями осадконакопления.
Ключевые слова: теплопроводность, донные осадки, водохранилища.
DOI 10.24411/0320-3557-2018-1-0003
ВВЕДЕНИЕ
Исследование теплофизических свойств осадков необходимо при определении теплообмена между донными отложениями и водной толщей, изучении термического режима грунтов и придонного слоя воды. В холодное время года донные отложения расходуют накопленный теплозапас, определяя температурные условия развития гидробионтов [Буто-рин и др., 1982 ^Щетт et 1982)]. Эволюция процессов осадконакопления после заполнения водохранилища приводит к изменению пло-
щадей распространения грунтового комплекса, изменению состава седиментированных донных осадков, что сказывается на их теплофи-зических свойствах, а в итоге и на составляющих теплового баланса водоема. Поэтому анализ теплофизических свойств осадков целесообразно включать в комплекс исследований при проведении стандартных грунтовых съемок. На водохранилищах Верхней Волги теп-лофизические исследования возобновлены авторами после значительного перерыва.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Исследование теплопроводности донных осадков Иваньковского, Угличского и Рыбинского водохранилищ проводили в ходе комплексной гидробиологической экспедиции в августе 2016 г. на НИС «Академик Топчиев» ИБВВ РАН.
Пробы отбирали лотом с храпцом, грунтовой трубкой ГОИН и автоматическим коробчатым дночерпателем (ДАК-250). Использование разных пробоотборников позволило выявить особенности получаемых образцов с точки зрения последующего определения теплопроводности. Наиболее представительные пробы дает отбор дночерпателем, так как из них можно вырезать образец с ненарушенной структурой необходимого объема, где возможно провести несколько измерений. В то же время нарушение структуры для несвязных грунтов существенно не влияет на получаемое значение теплопроводности, так как она, в большей мере, определяется их влажностью, наличием органических остатков, минеральным и гранулометрическим составом. Использование гравитационных трубок наиболее ин-
формативно для послойного определения теплопроводности илистых отложений. Это позволяет проследить ее изменения по стратиграфическим горизонтам. На тех станциях, где несколько проб отбирали разными пробоотборниками, теплопроводность определяли во всех образцах. Теплопроводность осадков, взятых дночерпателем и лотом на одних станциях, практически одинакова, что свидетельствует о достаточной представительности полученных проб.
Определение теплопроводности проводили с помощью игольчатого зонда ЛИТОС, (метод линейного источника тепла постоянной мощности) и экспериментального зонда аналогичной конструкции. Пробы осадков Иваньковского и Угличского водохранилищ исследовали на судне сразу после отбора, Рыбинского - в лаборатории по завершении рейса по ранее опробированным методикам [Буторин и др., 1975 (Butorin et я1., 1975)]. Несколько проб исследовали и в полевых, и в лабораторных условиях.
Физико-химические свойства осадков определяли в лаборатории гидрологии и гидрохимии ИБВВ РАН: объемную массу - методом режущего цилиндра (объем 14 см3); влажность - методом высушивания до постоянной массы при 105°С; гранулометрический состав анализировали в сырых пробах с применением
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
электромагнитном просеивающем установки "Analysette-3" Alfred Fritsch & CO (Германия); содержание органического вещества определяли, как потерю массы при прокаливании (ППП) в муфельной печи при температуре 600°С.
Всего выполнили 107 определений теплопроводности на 36 станциях (см. таблицу), из них 10 - в акватории Иваньковского, 8 -Угличского и 18 - Рыбинского водохранилищ. При рассмотрении связей теплопроводности с другими параметрами станции Мышкин и Глебово объединены со станциями Иваньковского и Угличского водохранилищ, как обособленные в геолого-геоморфологическом отношении от остальных станций Рыбинского водохранилища. Средние значения теплопроводности для Иваньковского и Угличского водохранилищ практически одинаковы: 1.01 и 1.02 Вт/м-°К, как и дисперсия среднего - 0.29 и 0.30, соответственно. Для Рыбинского водо-
хранилища среднее значение существенно выше: 1.21 Вт/м-°К при меньшей дисперсии 0.17.
В географическом распределении значений теплопроводности явных закономерностей не наблюдали. При этом из всей совокупности значений (рис. 1.) можно условно выделить "фоновые" (менее 1.0 Вт/м-°К) и "экстремальные" (более 1.5 Вт/м-°К), учитывая, что сами по себе все полученные значения абсолютно типичные для донных осадков. Фоновые значения демонстрируют тенденцию к увеличению с юга на север, которая не выражена статистически значимым трендом.
Теплопроводность донных осадков Иваньковского, Угличского и Рыбинского водохранилищ Thermal conductivity of bottom sediments of Ivankovskoye, Uglichskoye and Rybinskoye reservoirs
Станция Station
Координаты, с.ш, в.д. Coordinates, north, east
Теплопроводность, Вт/м-°К Thermal conductivity, W/ nv°K
Иваньковское Ivankovskoye
Лисицы 56.78144°, 36.33017° 1.53
Listsy
Городня 56.70111°, 36.34662° 1.77
Gorodnya
Видогощи 56.70353°, 36.36978° 0.32
Vidogoschi
Горки 56.63399°, 36.55004° 0.71
Gorki
Шоша 56.59176°, 36.43668° 0.92
Shosha
Свердлово 56.63748°, 36.60896° 0.56
Sverdlovo
Созь 56.79789°, 36.72033° 0.65
Soz
Мошковичский залив 56.76559°, 36.79436° 1.91
Moshkovichskiy zaliv
Уходово 56.79656°, 36.95369° 0.98
Ukhodovo
Липня 56.76791°, 37.03257° 0.72
Lipnya
Угличское Uglichskoye
Дубна 56.79657°, 37.26400° 1.68
Dubna
Кимры 56.86785°, 37.36117° 2.00
Kimry
Белый Городок 56.98826°, 37.48156° 1.09
Bely Gorodok
Медведица 57.07086°, 37.51732° 0.58
Medveditsa
Кашинка 57.26839°, 37.72606° 0.54
Kashinka
Калязин Ка1уа7Ш Прилуки Рп1иЫ
Грехов ручей вгекИоу ЯиЛеу
Мышкин Му8Ик1п Глебово в1еЪоуо Коприно Корйпо Молога Мо^а Брейтово Бгеуйуо Первомайка Регуошаука Себла 8еЪ1а Противье Ргойууе Ваганиха Vaganikha Любец ЬуиЪе18 Мякса Муак8а Ягорба Yagorba Средний Двор Sredniy Буог Измайлово Ьшау1оуо Центральный Мыс ТБеп^аЬу Му8 Наволок №уо1ок Всехсвятское Vsekhsуyatskoye Ухра
икЬ-а_
Две группы экстремальных значений привязаны к относительно узким широтным зонам протяженностью ~0.15-0.17 градуса на русловых участках Иваньковского и Угличского водохранилищ (за исключением Мошко-вичского залива, находящегося в зоне влияния подогретых вод Конаковской ГРЭС), и на Мо-ложском и Главном плесах Рыбинского водохранилища. Как правило, на этих участках развиты берега абразионного типа, что может быть причиной накопления крупнозернистых наносов. Кроме того, для этих районов характерны конечно-моренные образования московского оледенения, а на площади, занятой Рыбинским водохранилищем, предполагаемая максимальная граница осташковского оледенения [Государственная..., 2000 (Gosudar-stvennaya..., 2000)] проходит между станция-
0.65 0.87 0.71
0.67 0.73 0.99 1.17 1.03
1.73
1.74 2.00 1.08 0.91 0.82 1.11 0.83 1.63 1.59 1.72 0.82 1.24
ми с экстремальными значениями. Эти ледниковые образования могут являться источниками высокотеплопроводных тяжелых минералов с плотностью > 2.8 г/см3.
Примером изменения теплопроводности может служить сравнение теплопроводности донных осадков на станции Белый Городок и аллювиального песка с пляжа у этой станции: в песке под обрывом абразионного уступа террасы теплопроводность составляет 2.26 Вт/м°К, а на глубине 10 м - 1.09 Вт/м-°К. Таким образом, на относительно небольшом расстоянии теплопроводность изменяется более чем в два раза, что свидетельствует о влиянии сортировки осадочного материала при изменении скоростей течения и разбавлении его органическим веществом и минеральными частицами из других источников.
57.25966°, 37.85654° 57.37000°, 38.08928° 57.47262°, 38.28444°
Рыбинское ЯуЫшкоуе 57.78274°, 38.46171°
58.00181°, 38.42470°
58.07314°, 38.29941°
58.21452°, 38.45981°
58.32300°, 37.94975°
58.39783°, 37.74595°
58.45440°, 37.62996°
58.52397°, 37.53165°
59.09871°, 37.72983°
59.01558°, 37.85336°
58.86366°, 38.12815°
58.71995°, 38.26646°
58.50808°, 38.34777°
58.46253°, 38.47842°
58.42645°, 38.28476°
58.37778°, 38.38935°
58.38476°, 38.63440°
58.37596°, 38.88025°
Рис. 1. Распределение теплопроводности (Вт/м-°К) по широте. Fig. 1. Latitudal distribution of thermal conductivity.
Органическое вещество имеет наиболее низкую теплопроводность из компонентов осадков (за исключением газовых включений); теплопроводность торфа и сапропеля составляет 0.46-0.47 Вт/м °К, воды - 0.62 Вт/м°К, минеральных частиц - более 0.7 Вт/м°К. Поэтому теплопроводность донных осадков обычно демонстрирует обратную зависимость
от ППП и влажности. Для грунтов и осадков верхневолжских водохранилищ ранее была установлена обратная зависимость теплопроводности от содержания органики (Бакастов, 1966); наиболее значительное уменьшение теплопроводности происходит в интервале 010 % массы органики (рис. 2).
Рис. 2. Зависимость теплопроводности осадков от потери массы при прокаливании по данным грунтовых съемок разных лет. 1 - по С.С. Бакастову [1966], 2 - по Н.В. Буторину с соавторами [1982], 3 - съемка 2016 г.
Fig. 2. Plot of thermal conductivity of sediments versus loss on ignition according to the data of soil surveys of different years. 1 - from Bakastov (1966), 2 - from Butorin et al. (1982), 3 - by 2016 year survey.
Менее четко эта зависимость проявляется по данным [Буторин и др., 1982 (ВШюгт et а1., 1982)] для Рыбинского водохранилища: отдельные значения демонстрируют заметный разброс, интервал максимальных изменений теплопроводности смещен правее, к 10-20 % массы органики. Результаты съемки 2016 г. также демонстрируют значительный разброс значений. Характерная для проб 2016 г. более
высокая теплопроводность связана с уменьшением количества органики в осадках, которая ранее поступала за счет размыва торфяных сплавин, всплывших в результате метаногене-за [Законнов, 1995 (2акоппоу, 1995)].
При разделении станций на две группы (в первую входят станции Иваньковского, Угличского водохранилищ и станции Мышкин и Глебово, во вторую - остальные станции Ры-
бинского водохранилища) значения коэффициентов корреляции увеличиваются, и зависимость теплопроводности от содержания органики становится значимой для обеих выделенных групп (рис. 3). Расположение точек на графике указывает на большую теплопроводность минеральной составляющей осадков Рыбинского водохранилища, при равном или большем содержании в них органики. Наименьшее значение теплопроводности 0.32 Вт/м-°К, измеренное в образце со станции Видогощи (затопленное пойменное озеро), скорее всего связано с присутствием в пробе газовых включений, образовавшихся при разложении органики, которое оценивается в 25%, а вниз по керну - до 40%.
Между теплопроводностью и влажностью, теплопроводностью и сухой объемной массой исследованных осадков также имеется значимая корреляция, несмотря на большой разброс значений (рис. 4, 5). Самые высокие значения теплопроводности измерены в пробах с влажностью менее 40 % массы и объемной массой более 0.9 г/см3, что характерно для осадков со значительной долей песчаного материала. Теплопроводность осадков с влажностью более 60 % массы и объемной массой менее 0.4 г/см3 значительно варьирует, что свидетельствует о присутствии в алевритовой или пелитовой фракции минералов как с высокой, так и с низкой зерновой (фракционной) теплопроводностью.
О разнородном минеральном составе исследованных осадков свидетельствует и разброс значений в пределах их основных типов (рис. 6). Для первых двух типов медианные значения близки, для песка и илистого песка
значения 2016 г. существенно выше, что может быть следствием уменьшения содержания органического вещества в донных осадках этих типов.
Изменение теплопроводности происходит не только в пространстве, но и во времени в основном из-за уплотнения однотипных осадков или изменения вклада основных источников осадочного материала, что проявляется при послойном анализе донных отложений. При отборе грунтовой трубкой на станции Липня получена колонка осадков длиной около 40 см, верхние 5 см которой представлены полужидким наилком, глубже залегает горизонт серого глинистого ила мощностью 35 см, нижние 5 см сложены первичным грунтом, отличающимся по консистенции и цвету от верхней части осадка.
Теплопроводность регистрировали по-интервально через 5 см (рис. 7). Самая верхняя часть керна (0-5 см) растекалась, что не позволило опробовать этот интервал. Теплопроводность первичного грунта составляет 0.61 Вт/м-°К. В верхней части горизонта ила наблюдали постепенное увеличение теплопроводности от 0.52 до 0.82 Вт/м-°К, что может быть интерпретировано как следствие уменьшения влажности при уплотнении осадка. Интервал 30-40 см, характеризующийся двумя близкими значениями теплопроводности (0.74 и 0.72 Вт/м-°К), по этому параметру может быть выделен в отдельный слой, хотя визуально различий между отложениями этого и вышележащих интервалов не наблюдается. Этот залегающий на первичном грунте слой, по-видимому, откладывался в других условиях, чем вышележащий.
Рис. 3. Зависимость теплопроводности от потери массы при прокаливании. 1 - станции от Лисиц до Глебово, 2 - станции от Коприно до Ухры. Жирным выделены линия тренда и уравнения для станций Иваньковского и Угличского водохранилищ.
Fig. 3. Plot of thermal conductivity versus loss on ignition. 1 - stations from Lisitsy to Glebovo, 2 - station from Koprino to Ukhra. Bold trend line and equations for Ivankovskoe and Uglichskoe reservoirs stations.
20 30 40 50 60 70 80
Рис. 4. Зависимость теплопроводности от влажности. Обозначения - см. рис. 3. Fig. 4. Plot of thermal conductivity versus water content. Legend - see fig. 3.
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4
Рис. 5. Зависимость теплопроводности от объемной массы. Обозначения - см. рис. 3. Fig. 5. Plot of thermal conductivity versus dry bulk density. Legend - see fig. 3.
12 3 4 Тип осадков
Рис. 6. Теплопроводность основных типов донных осадков (1 - глинистый ил, 2 - песчанистый ил, 3 - илистый песок, 4 - песок). 1-2 - медианные значения, 3-4 - отдельные замеры: 2, 3 - значения по [Буторин и др., 1982], 1, 4 - данные съемки 2016 г.
Fig. 6. Thermal conductivity of the main types of bottom sediments. (1 - clayely silt, 2 - sandy silt, 3 - silty sand, 4 -sand). 1-2 - median values, 3-4 - individual values: 2, 3 - data from (Butorin et al., 1982), 1, 4 - 2016 year survey data.
Таким образом, исследование теплопроводности позволяет в визуально однородном вертикальном разрезе донных осадков выявить неоднородности строения, дальнейшая интерпретация которых возможна при выполнении
более подробного анализа физических свойств. Измерение теплопроводности в экспедиционных условиях можно рассматривать в качестве экспресс-метода определения особенностей строения керна.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В сравнении с данными предыдущих исследований, полученные авторами значения теплопроводности донных осадков оказываются выше, что можно рассматривать, как результат эволюции процессов осадконакопле-ния после заполнения водохранилищ. Увеличение площади дна, занимаемой песчаными наносами, и уменьшение количества органического вещества во вновь откладывающихся тонкодисперсных отложениях способствует увеличению средних значений теплопроводности. В свою очередь, это приводит к уменьшению теплоемкости вторичных донных осадков и сокращению вклада теплозапаса в них в тепловой баланс водохранилищ. Значительная
изменчивость теплопроводности для отдельных типов осадков, по-видимому, связана с изменениями в минеральном составе: исследованная территория достаточно велика, чтобы иметь широкий спектр источников поступления терригенного материала. Это предположение нуждается в уточнении в ходе дальнейших исследований. Материалы по теплофизиче-ским свойствам донных осадков могут быть использованы для изучения изменений условий осадконакопления, зафиксированных в кернах. Такие исследования целесообразно проводить в комплексе с изучением минералогического состава осадков.
Рис. 7. Распределение теплопроводности в керне, ст. Липня.
Fig. 7. Distribution of thermal conductivity in the core at Lipnya station.
Работа выполнена в рамках государственного задания ФАНО России (тема АААА-А18-118012690104-3) и приоритетного проекта «Оздоровление Волги».
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ Бакастов С.С. Теплофизические характеристики затопленных грунтов // Тр. Ин-та биол. внутр. вод АН СССР.
Л.: Наука, 1966. Вып. 13 (16). С. 89-94. Буторин Н.В., Зиминова Н.А., Курдин В.П. Донные отложения верхневолжских водохранилищ. Л.: Наука, 1975. 160 с.
Буторин Н.В., Курдина Т.Н., Бакастов С.С. Температура воды и грунтов Рыбинского водохранилища. Л.: Наука, 1982. 223 с.
Государственная геологическая карта Российской Федерации (новая серия). Масштаб 1:1000 000. Лист О-37,
(38). Нижний Новгород, 2000. Законнов В.В. Пространственно-временная неоднородность распределения и накопления донных отложений верхневолжских водохранилищ // Вод. ресурсы. 1995. Т. 22. № 3. С. 362-371.
REFERENCES
Bakastov S.S. Teplofizicheskie kharakteristiki zatoplennykh gruntov [Thermophysical properties of submerged
grounds] // Tr. In-ta biol. vnutr. vod. L.: Nauka, 1966. Vyp. 13 (16). S. 89-94. [In Russian] Butorin N.V., Ziminova N.A., Kurdin V.P. Donnye otlozheniya verkhnevolzhskikh vodokhranilishch [Bottom Sediments in the Upper Volga Reservoirs]. L.: Nauka, 1975. 160 S. [In Russian] Butorin N. V., Kurdina T.N., Bakastov S.S. Temperatura vody i gruntov Rybinskogo vodokhranilischa [Temperature in
Water and Sediments in the Rybinsk Reservoir]. L.: Nauka, 1982. 223 p. [In Russian] Gosudarstvennaya geologicheskaya karta Possiiskoi Federatsii (novaya seriya) [State geological map of Russian Federation (new series)]. Masshtab 1:1000 000. List O-37, (38). [In Russian] Zakonnov V.V. Prostranstvenno-vremennaya neodnorodnost raspredeleniya i nakopleniya donnykh otlozheniy verkhnevolzhskikh vodokhranilisch //Vod. Resursy. 1995. T. 22. № 3. S. 362-371. [In Russian]
THERMAL CONDUCTIVITY OF BOTTOM SEDIMENTS OF THREE UPPER VOLGA RESERVOIRS BY 2016 YEAR GROUND SURVEY
A. V. Ermakov1, V. V. Zakonnov2
'Geological Institute Russian Academy of Sciences 119017 Pyzhevsky lane 7, Moscow, Russia, e-mail: a.v.ermakov@gmail.com 2Papanin Institute for biology of inland waters Russian Academy of Sciences, Borok, Nekouzskii raion, Yaroslavl oblast, 152742 Russia, e-mail: ZAK@ibiw.yaroslavl.ru
The study of thermal conductivity was performed on the basis of 2016 year ground survey aboard RV "Akademik Topchiev" IBIW RAS. Thermal conductivities of the bottom sediments of three Upper Volga reservoirs (Ivankovskoe, Uglichskoe and Rybinskoe) were measured during and after survey cruise. 107 needle probe thermal conductivities were collected on 36 stations. Thermal properties studies in the area have been reestablished after more than 30-year break. Measurements were connected not only to the main sediment types, but to distinct locations to get estimation of spatial variation of thermal conductivity.
Keywords: thermal conductivity, bottom sediments, water reservoirs
