Водные ресурсы, 2021, T. 48, № 2, стр. 147-154

Многие гидрофизические и гидрохимические процессы в водных объектах обусловлены в значительной степени взаимодействием водной массы с твердыми частицами, взвешенными в ней и отложившимися на дне. Интенсивность процессов такого взаимодействия определяется целым рядом характеристик твердых частиц. При этом один из важнейших показателей – их плотность и связанные с ней параметры, в частности гидравлическая крупность. В самом деле гидродинамическое и физико-химическое взаимодействие твердых частиц c окружающей водой в водных объектах, процессы взвешивания и осаждения наносов в определяющей степени зависят от их гидравлической крупности. Это относится как к взвешенным в толще воды частицам, так и к осажденным на дне твердым отложениям. Общепринятым термином “гидравлическая крупность” u (м/с) обозначают скорость равномерного падения частицы в неподвижной (невозмущенной) воде. Многочисленные классические теоретические и экспериментальные исследования гидравлической крупности частиц, начатые еще в середине XIX в. в работах Дж.Г. Стокса, получили свое интенсивное развитие во второй половине XX в. Здесь следует упомянуть фундаментальные исследования М.А. Великанова, В.Н. Гончарова, А.В. Караушева и др. [1, 2, 5–7]. В результате были получены формулы и таблицы зависимости гидравлической крупности от диаметра частиц, температуры водной среды и формы частиц (для крупных наносов при турбулентном и переходном режиме осаждения [6]). На основе этих работ подготовлены методические рекомендации по практическому гранулометрическому анализу частиц, вошедшие в соответствующие Наставления и применяемые на сети Росгидромета [8]. Для мелких частиц с ламинарным режимом осаждения при этом, как правило, использовалась теоретическая зависимость Стокса [5]:

где ρ – плотность воды, кг/м³; ρ_s – плотность частиц наносов, кг/м³; k_v – коэффициент кинематической вязкости, м²/с; g – ускорение свободного падения; d – диаметр равновеликого частице шара; k_l – постоянный коэффициент, принятый Стоксом для шарообразных частиц равным 0.22. Данная зависимость имела экспериментальное подтверждение в многочисленных исследованиях на протяжении всего XX в., например в [5].

При этом важно отметить следующее. Практически во всех разработках плотность твердых частиц, как правило, принималась постоянной и равной 2.65 г/см³. Это характерно для всех классических работ [1, 2, 6]. Исследований вариаций плотности твердых частиц естественных водоемов явно недостаточно даже в специальных работах [10]. При этом, если рассматривать, например, донные отложения, то их формирование обусловлено целым рядом различных причин – поступлением в водный объект речных и эоловых наносов, продуктов абразии берегов, накоплением продуктов химических реакций, осаждением остатков отмирающих организмов (аллохтонных, т.е. поступающих в водный объект извне) и автохтонных (образующихся в самом водном объекте). Кроме того, особенности современного антропогенного воздействия обусловливают появление новых видов твердых частиц в водных объектах, например частиц микропластика. Все эти составляющие имеют очень широкий диапазон значений плотности. Плотность частиц наносов может достигнуть весьма больших величин при размывании текучей водой рудных жил, содержащих, например, серебро, золото или другие металлы. В то же время твердые органические частицы имеют, как правило, меньшую плотность. Еще меньшую плотность могут иметь частицы микропластика (табл. 1).

Таким образом, для частиц одинакового диаметра гидравлическая крупность в соответствии с зависимостью Стокса может достаточно сильно различаться. Например, рассчитаннoe для частицы диаметром 0.001 мм и плотностью 2.65 г/см³ значение гидравлической крупности составит 0.00000078 м/с. В то же время для частицы такого же диаметра, но плотностью 2.0 г/см³ это значение будет равняться 0.00000047 м/с, а плотностью 3.5 г/см³ – уже 0.00000118 м/с; т.е., строго говоря, для всего актуального диапазона плотностей, характерных для твердых частиц, присутствующих в водных объектах, существующие методы гранулометрического анализа взвешенных наносов и донных отложений, основанные на значении плотности 2.65 г/см³ [5], недостаточно корректны (в частности, рекомендуемые в Наставлениях [8] сроки отборов проб частиц на пипеточной установке). Частицы диаметром 1 мкм и плотностью 2.65 г/см³ при температуре 17.6–22.5°С за рекомендуемый срок отбора пробы 15 ч 35 мин опустятся на глубину 4.4 см, а плотностью 1.2 г/см³ (т.е. поликарбонат или капрон) – только на 0.5 см. Таким образом, в столбе воды высотой 5 см, рекомендуемой для отборa пробы для определения содержания частиц <1 мкм [8], будет большое количество более крупных фрагментов, но с меньшей плотностью. Это зафиксировано при проведении контрольных экспериментов в ИНОЗ РАН с применением мембранных фильтров с диаметром пор 1 мкм. По всей видимости, данный вопрос потребует в ближайшее время дополнительного анализа и пересмотра.

Кроме того, процесс взмучивания и переноса частиц донных отложений в придонную зону водного объекта в значительной степени также зависит от их плотности. Этот показатель в явном виде входит в разработанные формулы для количественной оценки этого явления. В качестве примера можно привести уравнение Гончарова для так называемой срывающей скорости, т.е. “наименьшей скорости потока, при которой происходит беспрестанный срыв отдельных зерен на дне и при которой средний уровень пульсационных подъемных усилий примерно равен весу зерна в воде” [2]:

где V_c – срывающая скорость, h – глубина.

Примечательно, что показатель (ρ_s – ρ)/ρ встречается в абсолютном большинстве аналогичных зависимостей [5, 7, 9]. Можно констатировать, что величина плотности твердых частиц на дне в значительной степени определяет интенсивность взаимодействия придонных слоев воды и верхнего слоя донных отложений, что в конечном счете может сказываться даже на микроформах поверхностности дна. Важно отметить, что интенсивность взаимодействия в этой зоне водного объекта в значительной степени может влиять на процессы вторичного загрязнения, что в конечном счете определяет его актуальное экологическое состояние.

В этой связи интересным представляется анализ изменения преобладающей плотности частиц наносов для конкретного водного объекта. В ИНОЗ РАН проведены подобные исследования применительно к донным отложениям Ладожского озера. В процессе этих работ были отобраны пробы с характерных участков дна.

На рис. 1 указаны станции отбора проб в ходе проведенных экспедиционных исследований.

Для всех отобранных проб выполнена оценка плотности частиц. Анализ проводился пикнометрическим методом в соответствии с ГОСТ [2]. В табл. 2 приведены результаты выполненных анализов.

Впервые получена картосхема распределения плотности донных отложений Ладожского озера, приведенная на рис. 2. Как видно из этой схемы, наибольшая плотность донных отложений данного водоема имеет место в зонах преобладания минеральной составляющей в общем составе наносов, т.е. в районах распространения песчаных грунтов, преимущественно в южной части. Для оценки доли органической части донных отложений для некоторых проб определены потери при прокаливании в муфельной печи. Результаты выполненных анализов и значения плотности частиц приведены в табл. 3.

В табл. 3 станции расположены в порядке увеличения измеренной плотности частиц. Из нее видно, что для северной глубоководной зоны характерны меньшие величины плотности и бóльшие величины органической составляющей в пробах по сравнению с южными районами. В рамках данной работы выполнено визуальное сравнение фрагментов дна на характерных участках с различной плотностью частиц. Для этих целей использованы фотографии соответствующих участков дна, полученные с использованием подводного аппарата “Лимноскаут”, разработанного и изготовленного в ИНОЗ РАН. Данный аппарат позволяет выполнять фотографирование на максимальных глубинах, характерных для Ладожского озера [4]. Полученные фотографии в окрестностях станций 17 (плотность частиц донных отложений 2.8 г/см³) и 105 (2.56 г/см³) приведены на рис. 3а, 3б, 4а, 4б соответственно. Как видно на фото, имеет место серьезное различие микроформ, образуемых частицами различных плотности и размеров в разных частях дна. Безусловно, донный рельеф в обоих случаях сформирован в результате воздействия очень большого количества разных факторов. Тем не менее видно, что плотность частиц донных отложений оказывает влияние как на результирующие формы, так и на условия взаимодействия твердых частиц с водной массой в придонной зоне.

Полученные результаты демонстрируют зависимость плотности частиц донных отложений от соотношения органической и минеральной частей общего объема. При этом как органическая, так и минеральная части сами могут варьировать в очень широких пределах, что определяется бóльшим количеством факторов. Все это создает весьма пеструю картину плотности частиц донных отложений, что необходимо учитывать при современном выявлении причинно-следственных связей между факторами того или иного экологического состояния водного объекта. Представленная на рис. 2 картосхема распределения плотности донных отложений уникальна не только для Ладожского озера, но и для крупных водных объектов вообще. В данном случае демонстрируется уменьшение плотности донных отложений от южных районов озера к северным. Безусловно, данная картосхема дает самое общее представление о распределении этого параметра на Ладогe. В дальнейшем, по-видимому, потребуется детализация измерений плотности в зависимости от конкретных задач и особенностей района исследований на озере. По существу, это требуется для любых крупных водных объектов при современных исследованиях взаимодействия донных отложений с водными массами, при оценке внутренней нагрузки, моделировании изменения экологического состояния и решении других задач.