BADANIE WYBRANYCH PARAMETRÓW FIZYCZNO-CHEMICZNYCH RZESZOWSKIEGO ZBIORNIKA WODNEGO ZAPORA

Transkrypt

1 BADANIE WYBRANYCH PARAMETRÓW FIZYCZNO-CHEMICZNYCH RZESZOWSKIEGO ZBIORNIKA WODNEGO ZAPORA 1. CEL I ZAKRES ĆWICZENIA Celem ćwiczenia jest zbadanie wybranych parametrów fizyczno-chemicznych wody zbiornika Zapora Zakres ćwiczenia obejmuje, pobór próbek wody w których należy oznaczyć wartości wybranych parametrów fizyko-chemicznych wody in situ (tlen, temperatura, przewodnictwo elektrochemiczne, ph, natężenie światła). Każda grupa ćwiczeniowa ma za zadanie, określenie widzialności krążka Secchiego i obliczenie indeksu troficznego oraz wyznaczenie zakresu warstw stratyfikacji termiczno-tlenowej. Ponadto w ramach ćwiczenia należy pobrać osad denny specjalistyczną sondą w celu demonstracji procedury pobierania i przygotowywania próbek osadu dennego do badań laboratoryjnych. Po zakończeniu ćwiczeń poszczególne grupy przygotują sprawozdanie w formie prezentacji multimedialnej. W sprawozdaniu należy zestawić wyniki pomiarów i analiz próbek wody, ich interpretacje oraz wnioski finalne. 2. OPIS WYBRANYCH BADANYCH PARAMETRÓW FIZYCZNO-CHEMICZNYCH WODY - Temperatura Jest jednym z ważniejszych parametrów fizycznych zbiorników wodnych. Opowiada za prawidłowy rozwój i aktywność metaboliczną organizmów wodnych. Wpływa na procesy chemiczne, wraz ze wzrostem temperatury wzrasta rozpuszczalność większości substancji, Odwrotnie sytuacja ta przedstawia się w przypadków gazów, ich rozpuszczalność maleje ze wzrostem temperatury. Źródłem energii cieplnej wód powierzchniowych jest m.in.: bezpośrednia absorpcja promieniowania słonecznego, transfer ciepła z cieplejszego powietrza do wody zwłaszcza podczas ruchów turbulentnych wody, pobór energii cieplnej z sedymentu oraz lądu wokół zbiornika (spływy powierzchniowe, wody gruntowe). Straty temperatury wynikają głównie z jej wypromieniowania, zjawiska parowania, a także przekazywania ciepła do podłoża. Temperatura wód powierzchniowych jest parametrem zmiennym uzależnionym od warunków takich jak: klimat (zjawiska pogodowe, sezonowe wahania temperatur), ukształtowanie terenu (dopływy wód powierzchniowych i gruntowych), wielkość i kształt zbiornika wodnego ( możliwość penetracji promieniowania słonecznego w głąb toni wodnej, pionowe i poziome zmiany temperatur). Maksymalne temperatury wody w klimacie umiarkowanym mogą dochodzić do 30 C, a nawet sporadycznie do 40 C. Podwyższona temperatura wody przyśpiesza procesy biochemiczne powodując zwiększone zużycie tlenu, co może prowadzić do jego okresowego deficytu. Z drugiej jednak strony intensyfikuje procesy fotosyntezy powodując przetlenienie powierzchniowych warstw wody. - Tlen W wodach powierzchniowych tlen pochodzi z atmosfery oraz procesów fotosyntezy. Proces dyfuzji tlenu z atmosfery jest powolny i zależy od powierzchni styku wody i atmosfery. Szybkość rozpuszczania się tlenu atmosferycznego w wodzie zależna jest od warunków atmosferycznych ( ciśnienia atmosferycznego i hydrostatycznego), przepływu wody ( ruch turbulentny), wiatr i falowanie tafli wodnej.

2 Obecność tlenu rozpuszczonego aktywuje procesy życiowe organizmów wodnych. Produkcja tlenu w procesie fotosyntezy uzależniona jest od ilości biomasy ( fitoplanktonu, makrolitów, mikrobentosu, glonów) warunków troficznych, temperatury, natężenia światła itp. W okresie wiosennym w jeziorach słodkowodnych wysycenie tlenu może sięgać 100%, co w temperaturze 4 o C daje zawartość mg O2/dm 3. - Przewodnictwo elektrochemiczne Miarą zawartości substancji nieorganicznych w wodzie jest przewodność elektrolityczna właściwa (konduktywność). Wielkość przewodnictwa elektrochemicznego uzależniona jest od ilości jonów zawartych w wodzie. W wodach naturalnych pochodzenie jonów jest najczęściej uwarunkowane obecnością związków nieorganicznych. Parametr ten odzwierciedla stopień mineralizacji wód. - Odczyn ph Jest wskaźnikiem określającym stopień kwasowości lub zasadowości, a od jego wartości uzależnione są zarówno chemiczne, jak i fizyczne właściwości wody. Odczyn ph osiąga wartości z zakresu 0-14, przy czym w warunkach naturalnych wody stojące przybierają wartości od kwaśnych - ph = 4 do zasadowych - ph = 12. Stopień kwasowości wpływa bezpośrednio na procesy życiowe zachodzące w ekosystemach, m.in. odpowiedzialny jest za prawidłowe pobieranie składników pokarmowych przez organizmy. - Światło Promieniowanie słoneczne przenikające do toni wodnej aktywizuje procesy życiowe roślin samożywnych żyjących w wodzie jak również zwierząt posługujących się wzrokiem. Promienie słoneczne padające na zwierciadło wody częściowo odbija się od niego, a częściowo wnikają w głąb. Im mniejszy kąt padania tym mniej promieni przenika, a więcej jest odbijanych. Przy kącie padania mniejszym niż 48,5 o wszystkie promienie słoneczne są odbijane od zwierciadła wody. Dlatego więcej światła przenika do wody w porze południowej niż rannej i wieczornej. W małych zbiornikach wodnych dodatkowym utrudnieniem ekspansji świetlnej do wody może być częściowe zacienienie powierzchni wody np. drzewami, budynkami itp. Procent promieniowania pochłoniętego w wodzie nazywamy ekstynkcją światła. Wielkość i jakość ekstynkcji na poszczególnych głębokościach ma znaczący wpływ na rozwój i stosunki ilościowe organizmów wodnych zwłaszcza producentów w tym fitoplanktonu. Przy silnym rozwoju fitoplanktonu zachodzi zjawiska samo zacieniania i konkurencji o światło, może również powodować ograniczenie rozwoju makrofitów zanurzonych w wodzie. Natężenie światła w wodzie najczęściej zależy od ilości sestonu autochtonicznego, fito i zooplanktonu i ich pochodnych, jest więc miernikiem stopnia trofii zbiornika wodnego. 3. WYKONANIE ĆWICZENIA 3.1. POMIAR WYBRANYCH PARAMETRÓW FIZYKO-CHEMICZNYCH Próby wody do analiz pobrane zostaną z ustalonych przez prowadzącego miejsc, przy użyciu czerpaka ze strefy powierzchniowej (0,5 m). Wybrane parametry fizykochemiczne badanej wody zostaną określone In situ za pomocą miernika wieloparametrycznego WTW Multiline P4. Urządzenie to umożliwia dokładne pomiary bez konieczności transportowania analitów do laboratorium.

3 Pomiary w środowisku pozwalają na ograniczenie błędu wynikającego z zachodzących w czasie zmian w próbce po jej pobraniu ze środowiska. W skład urządzenia wchodzi zestaw czujników umożliwiających pomiar parametrów fizyko-chemicznych. Przy użyciu miernika poszczególne grupy ćwiczeniowe oznaczą wybrane parametry wody tj. tlen rozpuszczony (mg/l), ph, przewodnictwo (µs/cm), temperatura ( C). Sposób użycia: 1. Podłączyć odpowiednią sondę do urządzenia w zależności od oznaczanego parametru fizyko-chemicznego: - ph (sonda SenTix 41-3) - przewodnictwo (sonda Tetra Con 325 ) - tlen (sonda Oxi Cal SL ) - temperatura ( którakolwiek z w/w) 2. Przed każdym pomiarem przepłukać ogniwo sondy wodą destylowaną i osuszyć bibułą. 3. Włączyć urządzenie przyciskiem ON/OFF. 4. Umieścić sondę w naczyniu z badaną próbą. 5. Po ustabilizowaniu się wartości odczytać z wyświetlacza wartość mierzoną. 6. Po zakończonym pomiarze przepłukać sondę i odłożyć do walizki. 7. Wyłączyć urządzenie przyciskiem ON/OFF. Procent nasycenia wody tlenem należy obliczyć według wzoru: a X = [%] b B gdzie: a - oznaczona zawartość tlenu rozpuszczonego w badanej wodzie, mg/l O2, b - maksymalna ilość tlenu (w mg) zawarta w 1 L wody destylowanej o temperaturze badanej wody, potrzebna do nasycenia wody tlenem po zetknięciu się z wolnym powietrzem przy ciśnieniu 760 mm Hg, (wartość b odczytuje się z tab.1), B - ciśnienie barometryczne w czasie pobrania próbki wody, mm Hg. Tab.1. Ilość tlenu potrzebna do całkowitego nasycenia 1 L wody destylowanej, stykającej się z powietrzem o zawartości 20,9% tlenu pod ciśnieniem 760 mm Hg

4 3.2. WYZNACZENIE ZAKRESU WARSTW STRATYFIKACJI TERMICZNO-TLENOWEJ Stratyfikacja termiczno-tlenowa wody jest to układ warstw wody różniących się temperaturą i zawartością tlenu rozpuszczonego. W warunkach naturalnych temperatura wód stojących zależy głównie od głębokości zbiornika, ruchu i mieszania się mas wodnych. Woda w głębokich zbiornikach wodnych posiada poziome uwarstwienie termiczno-tlenowe. Temperatura wody obniża się w kierunku od powierzchni zwierciadła wody do dna w jeziorze i tworzy trzy warstwy: epilimnion górna warstwa - znajdująca się pod wpływem wiatru i z związku z tym mieszana, o dość wyrównanej temperaturze metalimnion warstwa przejściowa, znajduje się w nim termoklina (warstwa wody, w której następuje wyraźna zmiana temperatury wraz ze wzrostem głębokości) hypolimnion dolna warstwa W takim układzie stratyfikacji, wody tych warstw nie mieszają się ze sobą. Stan ten obserwuję się w jeziorach w okresie letnim. Zawartość rozpuszczonego tlenu w wodzie jest różna w danej temperaturze, wraz ze wzrostem temperatury rozpuszczalność tlenu maleje. Przykładowa stratyfikacja zbiornika Solińskiego w różnych okresach czasu. Pomiar warunków termiczno-tlenowych odbywać się będzie przy użyciu sondy tlenowo-termicznej. Sonda połączona jest z miernikiem poprzez wyskalowany przewód. W celu dokonania pomiarów należy zanurzać sondę w wodzie na odpowiednich głębokościach i odczytywać wskazania miernika. Do głębokości 2 m należy notować odczyty z wyświetlacza miernika co 0.5 m, natomiast dalsze pomiary wykonywać co 1 m.

5 3.3. OKREŚLENIE WIDZIALNOŚCI KRĄŻKA SECCHIEGO I WYZNACZENIE INDEKSU TROFICZNEGO. Krążek Secchiego jest prostym urządzeniem służącym do określenia przeźroczystości wody. Został wynaleziony w 1865 roku przez włoskiego astrofizyka Pietro Angelo Secchi. Jest to biały krążek o średnicy 25 cm, opuszczany w pozycji poziomej do wody na wyskalowanej lince. Widzialność krążka Secchiego pozostaje w ścisłym związku z zawartością w wodzie upostaciowanej materii organicznej. Na jej podstawie można wyznaczyć tzw. Indeks Troficzny Carlsona, informujący o żyzności zbiornika wodnego. Sposób pomiaru: Pomiar natężenia światła przy użyciu krążka Secchiego, odbywa się poprzez zanurzanie dysku w wodzie aż do chwili gdy krążek przestaje być widoczny, notuję się tę głębokość poczym opuszcza się go nieco głębiej, następnie wynurza i notuję moment w którym znowu zaczyna być widoczny. Obie zmierzone wielkości powinny być takie same i określają one wartość widzialności krążka Secchiego. Jednakże głębokość przenikania światła wodzie jest większa niż ta zmierzona dyskiem. Przyjmuję się, że przybliżona miąższość strefy fotycznej, czyli głębokość, do której dociera światło jest dwukrotnie większa od tej zmierzonej krążkiem. Wynika to z faktu, iż promienie słoneczne, które umożliwiają zobaczenie krążka, przebyły drogę między naszym okiem, a krążkiem dwukrotnie, ( widzimy światło odbite od krążka). Indeks Troficzny Carlsona Indeks troficzny jest pojęciem, którym posługujemy się w celu ogólnego scharakteryzowania żyzności zbiorników wodnych. Najczęściej określa się go za pomocą zaproponowanego w 1977r. liczbowego Indeksu Troficznego Carlsona (IT). Wartości Indeksu Carlsona mieszczą się w zakresie od 0 do ponad 100. Im wyższa wartość indeksu tym wyższy stopień eutrofizacji zbiornika. Przyjmuje się, że wartość IT < 40 są charakterystyczne dla zbiorników oligotroficznych, mezotroficznych, eutroficznych i >70 hipereutroficznych. Ze zmianą indeksu troficznego związane są zmiany charakterystyki fizykochemicznej wody, struktury taksonomicznej żyjących w niej organizmów oraz stopnia ich aktywności metabolicznej. Wyznaczenie indeksu troficznego na podstawie widzialności krążka Secchiego wskaźnik zawiesinowy Gdzie: I = 10 [6 ln Wks ln 2 )] IT - indeks troficzny Carsona określony na podstawie widzialności krążka Secchiego (wskaźnik zawiesinowy ), Wks widzialność krążka Secchiego (m).

6 3.3. POBÓR OSADU DENNEGO Pobór osadu dennego odbywać się będzie przy użyciu sondy do poboru osadu typu Kajak model Sonda ta przeznaczona jest do poboru prób o nienaruszonej strukturze w miękkich osadach dennych, na różnych głębokościach. Wyposażona jest w rurę akrylowa długości 50 cm mocowaną w głowicy ze stali nierdzewnej. Głowica połączona jest z mechanizmem zaworu zamykającego górny otwór rury. Z chwilą wyciągania próbnika z dna, zawór ten zabezpiecza próbkę przed jej wypadnięciem z rury. W dolnej części rura wyposażona jest w krawędź tnącą. W trakcie opuszczania próbnika do dna rura jest całkowicie otwarta co pozwala na praktycznie nie zaburzony, przepływ wody przez próbnik oraz pobieranie próbki osadu i warstwy kontaktowej bez jej zaburzania. Budowa sondy typu Kajak model Uchwyt na linkę nośną Mechanizm sterowania zaworem Zawór zamykający górny Głowica do mocowania rury Rura (próbnik)

7 Sposób użycia: 1. Zamocować rurę (próbnik) w głowicy sondy, w tym celu należy: - poluzować śrubę mocującą rurę, - wcisnąć rurę do wnętrza głowicy, - dokręcić śrubę mocującą 2. Ustawić trzepień mechanizmu sterowania zaworem w pozycji jak na rysunku poniżej, 3. Zanurzyć sondę w pozycji pionowej, pozwalając jej na swobodne opadanie, aż do chwili wbicia się w warstwę osadu zbiornika. 4. Energicznym ruchem linki zamknąć zawór górny, a następnie powoli wynurzać sondę na powierzchnię.

8 - data i godzina wykonania badań: - miejsce wykonywania badań : -warunki meteorologiczne temperatura otoczenia : zachmurzenie: opad : Analiza parametrów fizyko-chemicznych KARTA POMIAROWA L.p Parametr Jednostka Odczyt 1 ph - 2 temperatura C 3 przewodnictwo µs/cm 4 tlen mg/l 5 widzialność m Stratyfikacja termiczno-tlenowa Głębokość [m] Temperatura [ C] Tlen [mg/l] Głębokość [m] 0,5 23,0 1,0 24,0 1,5 25,0 2,0 26,0 3,0 27,0 4,0 28,0 5,0 29,0 6,0 30,0 7,0 31,0 8,0 32,0 9,0 33,0 10,0 34,0 11,0 35,0 12,0 36,0 13,0 37,0 14,0 38,0 15,0 39,0 16,0 40,0 17,0 41,0 18,0 42,0 19,0 43,0 20,0 44,0 21,0 45,0 22,0 46,0 Temperatura [ C] Tlen [mg/l]