Nowoczesne metody pomiaru przepływów i transportu zawiesin w rzekach i morzach

Transkrypt

1 TECHNIKI I METODY Nowoczesne metody pomiaru przepływów i transportu zawiesin w rzekach i morzach Witold Szczuciński* Transport materii z lądów do mórz i oceanów odbywa się w przytłaczającej większości za pośrednictwem rzek. One, z kolei, nie odprowadzają wód i osadów równomiernie z poszczególnych kontynentów - ponad dwie trzecie udziału w światowym odpływie z lądów odbywa się bowiem za pośrednictwem rzek Azji południowo wschodniej i Oceanii (Milliman, Meade 1983). Wielkość przepływów wielkich rzek oraz jakość i ilość niesionego materiału zawieszonego czy rozpuszczonego jest bardzo istotnym elementem cyklu geochemicznego (biogeochemicznego) i ma wpływ nie tylko na warunki w strefach przybrzeżnych skądinąd należących do najproduktywniejszych obszarów na świecie, ale również na globalną cyrkulację. Zagadnienia te są istotne zarówno dla hydrologów, sedymentologów, oceanografów, biologów, ekologów, geochemików, planistów, specjalistów od określania ryzyka powodziowego i wielu, wielu innych (rys. 1). Przy takiej wadze zjawiska okazuje się, że ilość rzeczywistych danych na temat odpływu rzecznego i transportowanego osadu jest wręcz znikoma. Szacunki zaś są często oparte na bardzo krótkich, punktowych seriach pomiarowych, obarczonych dużymi błędami. W dużej mierze wynikało to z braku adekwatnych narzędzi badawczych jak i trud- ności logistycznych. Wielkie rzeki uchodzą do mórz zwykle za pośrednictwem delt gdzie wody płyną wieloma odgałęzieniami zwiększa to znacznie ilość miejsc gdzie pomiary powinny być wykonane. Większość z największych rzek świata podlega też bardzo dużym wahaniom sezonowym stanu wód to z kolei implikuje konieczność stałych pomiarów. Na to nakładają się jeszcze interakcje z pływami morskimi, które mogą wpływać na stany wód Rys. 1. Rzeki stanowią główne osie rozwoju handlu, transportu, usług ale także są miejscem wydobycia surowców mineralnych, połowu ryb, rekreacji itp. Dane na temat wielkości przepływów, rumowiska unoszonego oraz wpływu wód słonych w odcinkach przyujściowych należą do niezbędnych dla zrównoważonego rozwoju takich obszarów, jak na przykład delta Mekongu. Na zdjęciu jedna z odnóg Mekongu w My Tho, jednym z większych ośrodków gospodarczych delty. Pomimo, że miasto to znajduje się ponad około 50 km od ujścia rzeki to wyraźnie zaznaczają się tu pływy morskie o amplitudach ponad 1 metra. Pylony w tle to nowy most wiszący w budowie ale jak na razie to rzeka jest główną arterią komunikacyjną. Fot. Witold Szczuciński w rzece oraz skład chemiczny i zachodzące procesy nawet na setki km w górę rzeki (jak w przypadku Amazonki). Realne uwzględnienie tego czynnika wymagałoby prowadzenia pomiarów ciągłych. Zainteresowanie badaczy jak i konieczność rozwiązania praktycznych problemów związanych z przepływami rzek i transportem osadów zaowocowały produkcją szeregu urządzeń pozwalających dokładniej badać zarówno przepływy wód, ich zmienność jak i wielkość i charakter transportowanego materiału. Dwa z takich urządzeń: ADCP oraz LISST są opisane poniżej. Efekt Dopplera w służbie hydrologii - ADCP Od dwóch dekad do pomiarów przepływu rzek, prądów morskich i tym podobnych używa się ADCP (acoustic Doppler current profiler) akustycznego dopplerowskiego przepływomierza profilującego. Metoda ta wykorzystuje występujące przy propagacji fali dźwiękowej zjawisko Dop- 10

2 TECHNIKI I METODY plera polegające na zmianie częstotliwości sygnału odbitego od poruszającego się obiektu. Jako przykład efektu Dopplera może posłużyć obserwacja przejeżdżającego pociągu. Gdy pociąg nadjeżdża to jego gwizd jest najgłośniejszy, zmienia się zaś wraz z oddalaniem się pociągu. Ta zmiana wysokości tonu jest wprost proporcjonalna do szybkości pociągu. Tak więc poprzez pomiar wysokości i zmiany tonu można obliczyć prędkość pociągu. Podobnie, ADCP wysyła sygnał dźwiękowy o ustalonej częstotliwości i odbiera powracający sygnał odbity na małych cząstkach unoszonych w wodzie, które jak się przyjmuje poruszają się ze średnią prędkością tą samą co prędkość wody. Jeżeli cząstki rozpraszające nadany sygnał dźwiękowy oddalają się od ADCP to sygnał, który po odbiciu dociera z powrotem jest przesunięciem dopplerowskim o mniejszej częstotliwości, proporcjonalnie do względnej prędkości pomiędzy ADCP a cząstkami rozpraszającymi sygnał. Sam przyrząd składa się z głowicy pomiarowej (rys. 2) z czteroma przetwornikami nadającymi i odbierającymi impulsy fal akustycznych oraz komputera służącego do natychmiastowej analizy danych. Istnieje szereg modyfikacji urządzenia i można je stosować zarówno na dużych statkach badawczych, małych łódkach jak i do pomiarów stacjonarnych. Umożliwia ono pomiar prędkości prądu w kolumnie wody nie tylko na jednej głębokości, jak to ma miejsce w przypadku wielu prądomierzy, ale jednocześnie dla całego przedziału głębokości niezależnie od tego czy kierunek prądu jest jednolity czy zmienny. Ponadto pomiar ADCP umożliwia nie tylko rozpoznanie przepływów w poziomie ale uwzględnia również składową pionową ruchu cząstek w wodzie. Jednocześnie wielkość rozproszenia sygnału dźwiękowego jest względną funkcją ilości cząstek zawieszonych w wodzie i może służyć jako informacja o jej czasowej, bądź przestrzennej zmienności. Przykład zastosowania ukazano na rysunkach 3 i 4, gdzie przedstawiony jest zarówno przekrój z użyciem ADCP w poprzek koryta rzecznego, jak i profil czasowy zmienności warunków w tym samym miejscu w cyklu pływowym. 11

3 TECHNIKI I METODY Rys. 3. Profil ADCP w poprzek jednego z głównych odgałęzień rzeki Mekong Bassac. Kolejne diagramy ukazują od góry: kierunek płynięcia, prędkość płynięcia wody i średnie (uśrednione dla czterech wiązek) rozproszenie sygnału, które może być wskaźnikiem ilości zawiesiny w wodzie. Profil został wykonany podczas niskiego stanu wód w fazie odpływu. Obliczony na podstawie przedstawionych wyników przepływ w rzece (całkowita szerokość koryta około 1600 m) wynosi około m3s-1 Laser pod wodą pomiar in situ cząstek unoszonych w wodzie Rys. 2. ADCP (akustyczny dopplerowski przepływomierz profilujący) w praktyce. A) sposób możliwego montażu urządzenia; B) ADCP w wodzie podczas wykonywania pomiarów; C) Na bieżąco aktualizowane dane pomiarowe uwzględniające nie tylko informacje o przepływach, ale także dane nawigacyjne. Fot. Witold Szczuciński 12 Bardzo długo panowało przekonanie, że cząstki ulegają segregacji w trakcie transportu i depozycji cięższe i większe są deponowane szybciej (bliżej źródła na przykład przy ujściu rzeki do morza) a drobniejsze i lżejsze są transportowane na duże odległości. Oczywiście w wielu przypadkach taka sytuacja odpowiada prawdzie, aczkolwiek zwłaszcza w przypadku ujść rzecznych zauważono, że drobne cząstki są osadzane nawet w bardzo burzliwym środowi- sku. Okazało się bowiem, że drobne cząstki bardzo często ulegają flokulacji (agregacji, koagulacji) i w rzeczywistości tworzą agregaty o rozmiarach znacznie przekraczających średnice poszczególnych składników. Zjawisko to było niedoceniane między innymi w związku z metodyką badań osadów i zawiesin w trakcie przygotowania próbek agregaty, które związane są często tylko siłami elektrochemicznymi intensyfikującymi się podczas mieszania wód słodkich ze słonymi, ulegały rozpadowi. Przełom nastąpił dopiero przy zastosowaniu prób po-

4 TECHNIKI I METODY Rys. 4. Profil czasowy ADCP w ujściu jednej z odnóg Mekongu Cua Dai. Profil obejmuje prawie 12 godzin pełen cykl pływowy. Pomiar był wykonywany z łodzi zakotwiczonej w środku koryta rzeki i rozpoczyna się (od lewej) w końcowej fazie przypływu. Na górnym panelu przedstawiony jest kierunek płynięcia wody kolor niebieski oznacza kierunek w stronę morza (odpływ) natomiast czerwony w górę rzeki (przypływ). Zmiana kierunku płynięcia następuje stosunkowo nagle. Środkowy panel pokazuje prędkość płynięcia wody, zwracają uwagę zwłaszcza minimalne wartości podczas zmiany fazy pływu (kierunku prądu). Dolny panel pokazuje średnie rozpraszanie wiązki będące funkcją ilości zawiesiny w wodzie. Wielkość rozpraszania wzrasta w okresach o silniejszym prądzie miarów in situ (Kranck 1975). Obejmowały one między innymi próby fotografowania cząstek w kolumnie wody oraz pobierania dużych prób wody do pomiarów w laboratoriach. Te ostatnie często wykorzystywały dyfrakcję promieni lasera do pomiarów wielkości cząstek. W ostatnich latach pojawiły się również tego typu urządzenia do pomiaru objętości i kształtu cząstek unoszonych w wodzie. Przykładem takiego narzędzia jest stuje dyfrakcję promienia lasera w celu uzyskania rozkładu wielkości (objętości) cząstek w wodzie jak i ich całkowitej objętości. Metoda badania wielkości cząstek za pomocą dyfrakcji lasera została wprowadzona już w latach 70., ale względy techniczne nie dawały szansy na stosowanie tej metody w warunkach naturalnych. LISST składa się z generatora promienia lasera, który penetruje wodę i ulega dyfrakcji i rozproszeniu na cząstkach zawieszonych w wodzie (rys. 5). Efekt tego zjawiska jest rejestrowany przez detektor ustawiony za soczewkami skupiającymi przechodzący promień lasera. Zazwyczaj urządzenie to jest sprzężone z innymi czujnikami dającymi możliwość rejestrowania i innych parametrów wody (na przykład zasolenie, temperatura). Pomiary odbywają się automatycznie a wewnętrzne baterie pozwalają na wykorzystanie aparatu do długich pomiarów uwzględniających zmienność czasową rozmiarów cząstek. Zmienne soczewki pozwalają na zastosowanie urządzenia dla różnych zakresów koncentracji zawiesiny w wodzie. Po pomiarze istnieje możliwość wglądu w dane surowe jak i w standardowe statystyki pomiaru. Przedstawione powyżej metody dają szansę na znaczące pogłębienie naszej znajomości procesów dostawy materii z lądów do mórz oraz ich ilościowego znaczenia. Problem jest o tyle palący, że jak się okazuje przepływy i transport opisany poniżej LISST. Wiedza o wielkości cząstek zawieszonych w wodzie jest potrzebna między innymi do oceny ich zdolności sorpcyjnych (powierzchnia cząstek) czy szybkości opadania (czyli również czasu obecności w kolumnie wody istotne w przypadku gdy cząstki są również nośnikami zanieczyszczeń albo składników odżywczych). LISST (Laser In-Situ Scattering and Transmissometry Transmissometry) jest instrumentem, który wykorzy- 13

5 TECHNIKI I METODY Rys. 5. LISST (Laser In-Situ Scattering and Transmissometry) - urządzenie do pomiarów in situ koncentracji zawiesiny i wielkości cząstek oparte na rozpraszaniu i stopniu transmisji promienia lasera. A) LISST zamontowany w ramie chroniącej przed uderzeniami o burtę bądź dno, dodatkowo zamontowany jest czujnik CTD (zasolenie, temperatura, głębokość). Zamontowane na rogach obciążniki mają zapewnić większą stabilność pomiaru zwłaszcza w warunkach przepływów o prędkościach > 1ms-1; B) prosta winda służąca do opuszczania i wyciągania LISST pomiary są wykonywane na różnych głębokościach; C) bezpośrednia analiza wyników pomiaru. Otrzymane w tym wypadku średnie wielkości cząstek wynoszą ponad 290 mikrometrów. Wskazuje to na flokulację (tworzenie agregatów) cząstek analizy laboratoryjne po rozbiciu agregatów w wannie ultradźwiękowej wskazują na średnią średnicę ziaren rzędu 2 do 8 mikrometrów. Fot. Witold Szczuciński osadów dla większości rzek świata są znacząco zmienione przez działalność człowieka (Syvitski i inni 2005) a dla wielu rzek jakikolwiek monitoring nie istnieje bądź jest w bardzo skromnej formie, jak to ma miejsce w przypadku jednej z największych rzek na świecie - Mekongu (rys. 6). Literatura: Kranck K., Flocculation of Suspended Sediment in the Sea. Nature 246: Milliman J.D., Meade R.H., World-wide delivery of river sediment to the oceans. Journal of Geology 91: Syvitski J.P.M., Vörösmarty C.J., Kettner A.J., Green P., Impact of Humans on the Flux of Terrestrial Sediment to the Global Coastal Ocean. Science 308: *Witold Szczuciński Instytut Geologii, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza w Poznaniu, autor jest stypendystą Fundacji na Rzecz Nauki Polskiej Rys. 6. Zaawansowane pomiary hydrologiczne i sedymentologiczne to jednak dopiero pierwszy krok w całkowitym poznaniu systemu transportu i rzeczywistych wielkości niesionych osadów przez wielkie rzeki. Mgła na brzegach Mekongu o świcie. Fot. Witold Szczuciński

6 Od lat jesteśmy największym dostawcą paliwa do rakiet NASA. Od dziś jesteśmy też największą firmą gazową w Polsce. Być może już znasz Air Products. Dostarczamy ciekły wodór do rakiet NASA. Jesteśmy największym na świecie dostawcą helu. Teraz, po zakupie firmy BOC Gazy, staliśmy się również największym w Polsce dostawcą gazów przemysłowych. Prowadzimy działalność handlową w 15 krajach europejskich od Wielkiej Brytanii i Francji po Słowację i Czechy. Wszędzie tam, gdzie jesteśmy obecni, stosujemy te same wysokie standardy obsługi klienta, troski o środowisko naturalne, naszych pracowników i lokalne społeczności. Odwiedź naszą stronę internetową i sprawdź, dlaczego wierzymy w nasz sukces w Polsce. tell me more Air Products and Chemicals, Inc