MONITORING SUSPENDIRANEGA MATERIALA NA SLOVENSKIH VODOTOKIH

Transcription

1 mag. Janja KNIFIC PORENTA * HIDROLOGIJA V PROJEKTIH MONITORING SUSPENDIRANEGA MATERIALA NA SLOVENSKIH VODOTOKIH POVZETEK Problematika merjenja suspendiranega materiala v Sloveniji je zelo aktualna, zlasti z vidika spreminjanja rečne morfologije. Obstoječa nacionalna mreža merilnih mest, na katerih opravlja meritve Hidrometeorološki zavod RS, je zaenkrat redka, a je v pripravi nov program monitoringa. " V članku je podrobneje opisana predvidena mreža merilnih mest, skupaj s pregledom načinov merjenja lebdečih snovi in velikosti zrn, povzetem po tuji literaturi, ter z njimi povezana uporaba sodobnejših inštrumentov. Razen točkovnih meritev se predvideva kontinuirano merjenje vsebnosti suspendiranih zrn v času nastopa visokih voda, ko se opravi premestitev največjega dela suspendiranega materiala. NAMEN IN CILJI MONITORINGA Po Zakonu o vodah je monitoring tekoče opazovanje in nadzorovanje stanja s sistematičnim i meritvami posameznih parametrov na izbranih krajih, namenjeno odkrivanju sprememb v okolju z vidika teh parametrov. Cilj monitoringa je spoznavanje in vrednotenje sprememb v okolju in sicer posredno, z merjenjem in analizo specifičnih parametrov. V našem primeru gre za spremljanje koncentracije in transporta suspendiranega materiala, ki nastane s spiranjem zgornje, preperele plasti zemljine ali z erodiranjem brežin v povirjih; lahko pa tudi kot posledica umetnih posegov v bližini struge. Velikost zrn, ki jih voda prenaša v lebdečem stanju, znaša od nekaj desetink mikronov do nekaj desetink milimetra; lahko pa se pod vplivom turbulence znajdejo v lebdečem stanju tudi do 2 milimetra velika zrna. Material se nizvodno ob zmanjšani transportni sposobnosti vodotoka useda na rečno dno. Posledice dinamike premeščanja materiala so spremembe v in ob rečni strugi: zapolnjevanje akumulacijskih bazenov, zablatenje rečnega dna zaradi usedanja drobnih zrn in zato v končni fazi otežen naravni ciklus kroženja vode, saj je oteženo dreniranje v podtalnico, ne nazadnje pa so zlasti drobna zrna nosilci kemijskega onesnaženja. Končni cilj monitoringa suspendiranega materiala je izračun (ali vsaj ocena) skupne količine materiala, ki se premesti preko izbranega mesta v vodotoku v določeni časovni enoti. Dinamiki gibanja plavin v vodi sledimo z merjenjem koncentracije suspendiranega materiala, iz katere izračunamo masni pretok suspendiranega materiala ali kalnost kot produkt s pretokom vode. OBSTOJEČE STANJE MERJENJA SUSPENDIRANEGA MATERIALA NA SLOVENSKIH VODOTOKIH Trenutno izvaja Hidrometeorološki zavod RS redna merjenja koncentracij suspendiranega materiala na petih vodomernih postajah: na Muri v Gornji Radgoni, na Savi v Mednem in Hrastniku, na Savinji v Velikem Širju in na Vipavi v Mirnu. Redna merjenja obsegajo enkrat dnevni odvzem vzorca s prostornino enega litra, ki ga opravi opazovalec v profilu vodomerne postaje. V laboratoriju se vzorec analizira po klasični filtracijski metodi, kjer se iz razlike teže filter papirja pred in po filtriranju izračuna vsebnost suspendiranih (lebdečih ) snovi v vzorcu. mag. Janja KNIFIC PORENTA, dipl.ing.gradb., Hidrometeorološki zavod RS, Vojkova 1b, Ljubljana

2 HIDROLOGIJA V PROJEKTIH Poleg rednih merjenj se opravljajo odvzemi vzorcev v času izjemnih visokovodnih situacij, zlasti pogosto v času naraščanja voda. Pogosti odvzemi se na poleg zgoraj omenjenih opravljajo,še na 14 vodomernih postajah, katerih lokacije so razvidne iz slike 1. Na vseh omenjenih postajah se istočasno s hidrometričnimi meritvami izvajajo profiine meritve suspendiranega materiala. Pri slednjih se z batometrom odvzamejo vzorci z volumnom enega litra v več točkah posamezne vertikale prečnega profila, odvisno od globine vode. Število vertikal za odvzem vzorcev je za polovico manjše od vertikal, v katerih se meri hitrost. Na osnovi koncentracij odvzetih vzorcev se izračuna srednja profilna koncentracija, s pomočjo izmerjenega pretoka pa tudi trenutni transport suspendiranega materiala. Na osnovi primerjav med srednjo profilno koncentracijo in pripadajočim pretokom poskušamo izdelati krivulje, ki za posamezna letna obdobja definirajo medsebojno odvisnost obeh parametrov. Rezultati analiz so izmerjene koncentracije suspendiranega materiala (c), izražene v g/m 3 vode. Srednja dnevna vrednost transporta suspendiranega materiala (srednja dnevna kalnost) (S) je izračunana kot produkt koncentracije in srednje dnevne vrednosti pretoka. Rezultati se za posamezne vodomerne postaje predstavijo v obliki letnih pregledov in shranjujejo v Banki hidroloških podatkov (BHP). o Legenda.4 Redno zajemanje vzorcev o Izredno za jemen jc vzorcev R SLOVENIJA JO 40 ~O ~m Hidrome l eorološki zavod Slika 1: Obstoječa mreža postaj za merjenja suspendiranega materiala PROGRAM MONITORINGA Mreža merilnih mest Gostota mreže postaj je pogojena s pomembnostjo problema kalnosti in prodonosnosti pri gospodarjenju z vodnimi viri. Pravilen izbor lokacije postaje in zadostna gostota mreže lahko bistveno pripomoreta h kakovosti in uporabnosti izmerjenih podatkov. Pomembnost poznavanja transporta suspendiranega materiala je razvidna iz spodnje preglednice, kjer so prikazani podatki o povprečnem letnem transportu preko posameznega profila za obdobje

3 mag. J. Knific- Porenta HIDROLOGIJA V PROJEKTIH vodomerna Ssr-obdobni postaja (kg/s) Mura - Gor. Radgona 11.3 Savinja - Vel. Sirje 7.2 Vipava - Miren Preglednica 1: Pnkaz srednje obdobne vrednosti transporta susp. materiala za obdobje Lokacije vodomernih postaj so v bližini mostov, saj so ti lahko dosegljivi in omogočajo varno merjenje v vseh vrstah vremenskih in pretočnih razmer, poenostavljena je identifikacija in kontrola merskega profila. Za merjenje pretoka in koncentracij suspendiranega materiala se uporabljajo isti profili, le včasih se z namenom kontrole opravljene meritve opravi meritev izven običajnega merskega profila. V primeru monitoringa kvalitete vode, kjer se analizirata transport in količina nevarnih snovi, je potrebno posebno pozornost posvetiti analizi drobno zrnatih delcev, ki so glavni nosilci kemijskega onesnaženja. V takih primerih je zato potrebno določiti lokacije primarnega usedanja teh delcev. V novem programu merjenja se predvideva večje število odvzemnih mest, kar je prikazano tudi na Legendo... Redno zajemanje vzorcev... Norotni~ka postaja R SLOVENIJA :so km Hidrometeorološki zovod Slika 2: Predvidena mreža postaj za merjenje suspendiranega materiala Načini merjenja in merilni inštrumenti Transport suspendiranega materiala skozi profil se izračuna z delitvijo prečnega prereza na več sekcij, ki so med seboj ločene z merskimi vertikalami. Število in lego vertikal se določi na osnovi ekvivalentnega pretoka med njimi, na podlagi prečne porazdelitve koncentracij ali ekvidistančno. Število merskih točk na vertikali je odvisno od globine vodotoka, lokalnih hitrosti, kalnosti same in od zahtevane natančnosti meritev. Običajno se odvzamejo vzorci v petih točkah posamezne vertikale, po potrebi se lahko to število zmanjša na tri ali dve odvzemni točki in sicer na relativni globini O.8H, 0.5H in O.2H. Odvzem vzorcev se opravi iz mostu ali čolna.

4 HIDROLOGIJA V PROJEKTIH Vertikalna porazdelitev lebdečih plavin je različna, odvisna od hidravličnih značilnosti vodotoka, velikosti in oblike zrn. Najtežje je izmeriti področje pri dnu, kjer je gradient koncentracije lebdečih plavin največji ; prav tako pa ni izrazite meje med lebdečimi zrni in rinjenimi plavinami. V splošnem ločimo tri načine merjenja, katerih osnovna razlika je v času trajanja vzorčevanja in številu odvzetih vzorcev... S konvencionalnimi metodami, pri katerih se opravijo točkovni odvzemi v posameznih merskih vertikalah preko celotne širine profila, se dokaj točno definira porazdelitev koncentracije materiala in velikosti delcev. Na Hidrometeorološkem zavodu še vedno uporabljamo tak način vzorčevanja, pri katerem se odvzamejo vzorci z batometrom prostornine 1 ali 3 litrov v treh točkah ekvidistančnih vertikal. Batometer se postavi v smer toka, na določen i globini se njegove stranske ploskve hipoma zaprejo. Pri vtoku vode v valj izhajajo mehurčki, ki upočasnjujejo proces polnjenja in tako dobljen vzorec ni reprezentativen, zlasti za najdrobnejša zrna. Kljub temu se ti vzorčevalniki zelo uporabni, predvsem zaradi enostavnosti pri vzorčevnju. Iz podatkov o koncentraciji v posameznih točkah lahko določimo tipično mesto v profilu, ki se uporablja za odvzem t.im. enotnih vzorcev. Koncentracija enotnega vzorca se primerja s povprečno profilno koncentracijo, dobljeno pri več točkovnem odvzemu. Odnos med enotno in profilno vrednostjo koncentracije je le empiričen, zato je tudi pretvorba enotne vrednosti v povprečno profilno le približna. Ti poenostavljeni načini se uporabljajo v času trajanja visokovodnih razmer, ko je več točkovno vzorčevanje zaradi izjemnih razmer oteženo in zaradi približno enakomarne porazdelitve suspendiranega materiala po profilu nepotrebno. Primerne so tudi v zelo stabilnih razmerah, ko se transport s časom praktično ne spreminja. Odvzem enotnih vzorcev na vodomerni postaji služi le kot dodatek k običajnim merjenja transporta, dobljene rezultate pa je potrebno preveriti. metodam Pogostost odvzema vzorcev je odvisna od karakteristik prispevnega območja in režima vodotoka. Pri vodotokih, kjer je erozija glavni vir transportiranega materiala, se cca. 70% letnega transporta opravi tekom nekaj visokovodnih situacij, kar je razvidno tudi iz preglednice 2. Zato so frekvence odvzema ob takih situacijah urne ali še celo pogostejše, medtem ko se v času nizkih voda reducirajo na dnevne oz. celo enkrat tedenske odvzeme. Za vodotoke s pestro geološko sestavo prispevnega področja in zelo raznoliko razporeditvijo padavin (taljenje snega, poletne nevihte... ) je težko predvideti nastop visokih voda. V takih primerih je nujno potrebno kontinuirno vzorčevanje, če hočemo določiti potek sprememb koncentracij suspendiranega materiala, saj nastopi največja koncentracija suspendiranega materiala pred maksimalnim pretokom. vodomerna postaja trajanje visoke transport delež glede na vode (ton) letni transport Mura - Gor. Radgona % % Savinja - Laško % % Vipava - Miren % % Preglednica 2: Prikaz transporta suspendiranega materiala v šestih visokovodnih situacijah v odnosu na celoletno količino premeščenega materiala (kalnost) Vzorčevalniki za neprekinjeno merjenje sprememb koncentracij omogočajo pridobitev podatkov tudi v času trajanja visokih voda. Med te spadajo različni črpalni vzorčevalniki, katerih vzorci služijo kot enotni; turbidimetri, različni inštrumenti, ki merijo odboj zvoka na principu Dopplerjevega efekta in drugi. Vzorčevanje se izvaja na stalnem mestu v vodotoku, kjer je zadostna turbulenca in naj bi se izvajalo v točki, v kateri je koncentracija približno enaka povprečni profilni. To mesto se lahko določi le na podlagi predhodnih polnih profilnih meritev, opravljenih pri različnih hidroloških stanjih. S turbidimetri se izvaja merjenje motnosti, ki ga lahko razumemo kot merjenje relativne čistosti vode, v kateri so prisotni disperzni in suspendirani delci. Prisotni delci onemogočajo direkten prehod

5 mag. J. Knific- Porenta HIDROLOGIJA V PROJEKTIH svetlobnega žarka, saj se svetloba na njih sipa, lomi in absorbira. Motnost je torej odraz vpliva prisotnih delcev na raztros svetlobe, ne gre pa za direktno merjenje koncentracije teh delcev oziroma lebdečih plavin. Raztros svetlobe je odvisen od količine delcev, njihove oblike, sestave in absorptivnih lastnosti ter po drugi strani od valovne dolžine vpadne svetlobe. Z naraščanjem števila delcev v vodi prihaja do kombiniranega raztrosa in velike absorpcije svetlobe; pri določeni količini suspendiranih delcev v vodi se zaznavanje prepuščene in sipane svetlobe v hipu zniža. Ta vrednost označuje zgornjo mejo merljivosti motnosti vode. Prednost merjenja motnosti namesto neposredne koncentracije suspendiranega materiala je v neprekinjenem, hitrem in enostavnem spremljanju sprememb v vodi in zahteva manjše število ljudi. Sodobni inštrumenti omogočajo merjenje tako nizkih kot visokih vrednosti motnosti in široko območje zrnavosti delcev, vendar se pri merjenju pojavljajo določene napake. Omeniti je potrebno razpršeno svetlobo, ki ni posledica motnosti, ampak so vzrok zanjo nečistoče, drobne praske ali kondenzacija vodne pare na stekleni kiveti, ki ločuje vzorec od izvora svetlobe in detektorja, zato izmerjena motnost izkazuje previsoke vrednosti. Znatne merske napake lahko povzročijo predvsem razpršeni, drobni zračni mehurčki v vzorcu, ki odbijajo in razpršijo svetlobo bolj kot večina trdnih delcev. Težavo predstavlja tudi vzpostavitev odnosa motnost - koncentracija suspendiranega materiala (kalnost), saj je motnost ovrednotena na osnovi sipanja in presevanja svetlobe in zato ni enolične povezave s koncentracijo materiala v vzorcu (g/m 3 ali ppm). To se izkaže pri več zaporednih merjenjih motnosti z enim ali več sorodnimi inštrumenti. Če ima vzorec npr. motnost 500 NTU (orig. Nephelometric Turbidity Unit) in ga razredčimo z destilirano vodo na 5-kratno prostornino, je izmerjena motnost lahko mnogo več kot 100 NTU. Ta nelinearnost je posledica večkratnega raztrosa in večje absorptivnosti svetlobe pri višjih koncentracijah... Dobra korelacija je možna v primeru, ko so delci relativno homogene zrnavosti in sestave. Merjenje motnosti prinaša takojšnjo oceno o relativni vsebnosti suspendiranega materiala, vendar je potrebno opravljati dodatne meritve za izdelavo kalibracijske krivulje, s katero preračunamo vrednost motnosti v koncentracijo suspendiranega materiala (kalnost). Zrnavostna analiza delcev Za določitev velikosti delcev se uporabljajo isti vzorci, ki služijo za določitev koncentracij suspendiranega materiala. Poznavanje velikosti delcev vzdolž posameznih vertikal in v prečni smeri Je potrebno za točnejši izračun transporta suspendiranega materiala. Iz količine najdrobnejših trdnih delcev lahko sklepamo tudi na prisotnost polutantov v vodi, saj je adsorbcijska zmogljivost zrn obratno sorazmerna z njihovo velikostjo. Z meritvami se je izkazalo, da imajo delci velikosti okrog 0.01 mm precej enakomerno porazdelitev v vertikalni in prečni smeri; za razliko od delcev premera 0.1 mm, katerih porazdelitev je v obeh smereh izrazito neenakomerna, z velikimi gradienti v obeh smereh. Zato je pri izboru števila in lege merskih vertikal potrebno upoštevati porazdelitev delcev glede na velikost po prečnem prerezu. Analize vzorcev so tudi pokazale, da je sprememba velikosti delcev lebdečih plavin v času trajanja visokih voda bistveno manjša kot je sprememba koncentracije delcev. Bistvenega pomena ja torej odvzeti čim več vzorcev v času višjih vodostajev. Vertikalna in prečna porazdelitev suspendiranih zrn je odvisna od hidravličnih parametrov - globine vode, naklona dna in drugih značilnosti plavin, kot je velikost in oblika delcev ter njihova specifična teža. " Gibanje suspendiranih delcev je odvisno od njihovih lastnosti usedanja. Velikost zrna je določena kot premer krogle, ki ima enako hitrost usedanja in enako gostoto kot obravnavani delec. To je tim. usedaini premer, na podlagi katerega razvrščamo delce. Splošno se za delce, manjše od 2 mm (pesek, melj, glina), uporabljajo metode na osnovi usedanja; za delce, večje od 2 mm (prod, gramoz), pa sejalne analize ali direktna merjenja velikosti. Sejalna analiza je tradicionalna metoda za mehansko analizo peska in proda, vendar je najbolj primerna za analizo drobno zrnatih sedimentov. Za večja zrna je primernejše direktno merjenje velikosti na mestu samem. Značilnosti prodnatih plavin se izražajo s sejalnim premerom, ki je enak odprtini sit; medtem ko je za lebdeče plavine bolj uporabno podajati značilnosti v obliki useda I ne hitrosti ali usedalnega premera. MI$IČEV VODARSKI DAN '98

6 mag. J. Knific- Porenta HIDROLOGIJA V PROJEKTIH Sejalna analiza obsega dve metodi: suha sejalna metoda, pri kateri se sejanje izvaja na običajen način skozi serijo večih sit; mokra sejalna analiza, pri kateri se pred procesom sejanja celotni vzorec namoči z vodo in se za pospešitev procesa izplakuje delce s curkom vode. Za vzorce, ki vsebujejo tudi drobne delce, je primerna kombinacija obeh metod. S suho sejalno analizo se drobne frakcije ločijo od grobih, mokra pa omogoča hitrejši prehod drobnih delcev skozi odprtine... Laboratorijska analiza vzorcev Ločimo : analize posameznih vzorcev, pri katerih se obdela vsakega posebej, da se določi koncentracija v merjeni točki. Te meritve so dolgotrajne in drage. analize skupnih vzorcev: povprečna koncentracija se dobi s kombiniranjem oz. mešanjem vzorcev v razmerju pretokov, ki jih predstavljajo posamezne merske točke, v katerih so bili vzorci odvzeti. Ta način je hitrejši, še posebej če pustimo vzorce, da se predhodno usedejo in nato previdno odlijemo čisto vodo. Laboratorijski postopki določanja koncentracije suspendiranega materiala v vzorcih se delijo na neposredne in posredne metode. Med neposredne spadajo metoda evaporacije (uporablja se za vzorce z nizko vsebnostjo lebdečih snovi), metoda filtracije (primerne za vzorce s srednjo do višjo koncentracijo lebdečih snovi) ter metoda usedanja, ki pa je primerna le za vzorce z izjemno visokimi vsebnostmi lebdečih snovi, saj gre za določanje razlike v teži vzorca s plavinami vred in enake prostornine čiste vode. Pri posrednih metodah se odčitek oz. zapis turbidimetra preko kalibracijske krivulje pretvori v vrednosti koncentracij suspendiranega materiala. Slabost teh metod je potreba po stalni kontroli kalibracijskih krivulj, izdelanih na podlagi meritev v laboratoriju, z rezultati meritev na terenu, opravljenih na klasičen način v več točkah. Izračun transporta sedimentov Pri točkovnih odvzemih vzorcev se izračuna povprečna profilna koncentracija po enačbi (1), pri čemer je potrebna predhodna analiza vzorcev: ~ II q.1 = I. C'i. Vi.!3.di (1 ) 1= 1 kjer je qs... specifični pretok lebdečih plavin na enoto širine, n... število merskih točk, GSi... koncentracija lebdečih plavin (suspendiranega materiala) v merski točki ; izmerjena v laboratoriju ali na mestu samem, Vi... hitrost vode v merski točki, ~d i... delež pretočne globine, ki jo predstavlja posamezna merska točka. Vsota delnih vrednosti poda transport preko celotne širine profila. Zaključek Z uporabo sodobnejših metod in inštrumentov ter z zgostitvijo mreže merilnih mest se bo bistveno izboljšalo poznavanje problematike premeščanja lebdeč ih snovi. Kot je že omenjeno v tekstu, velja posebno pozornost posvetiti neprekinjenemu vzorčevanju, saj na ta način lahko dobro sledimo spremembam koncentracije lebdečih snovi v času visokih voda, ki največ

7 HIDROLOGIJA V PROJEKTIH prispevajo k skupni količini premeščenega materiala. Velik korak naprej bo storjen, ko se bodo začele izvajati analize za določitev zrnavostne krivulje, saj zaenkrat še ne razpolagamo z ustreznimi inštrumenti. Naše kadrovske in finančne možnosti nam ne omogočajo, da bi se lahko ukvarjali z analizo premeščanja rinjenih plavin oziroma prodonosnosti. Ker so tudi ti podatki nujno potrebni za celovit pregled nad prodno bilanco nekega povodja, bi bilo v bodočnosti potrebno sodelovanje več zainteresiranih inštitucij. LITERATURA.' 1. WMO, 1981 a: Measurement of river sediments. Operational Hydrology Report No. 16, WMO No.561, Geneva, Switzerland. 2. WMO, 1989: Manual on oprational methods for the measurement of sediment transport. Operational Hydrology Report No. 29, WMO-No.686, Geneva, Switzerland. 3. Mudroch A., Azcue J. M., 1995: Manual of aquatic sediment sampling. Lewis Publishers 4. HACH Company, 1990: Turbidity measurement. Technical Information Series - Booklet No. 11, first edition 5. Barsch D., Mausbacher R., P č> rtge K.-H., Schmidt K.-H., 1994: Messungen in fluvialen Systemen. Springer - Verlag 6. Horowitz A. J., 1995: The use of suspended sediment and associated trace elements in water quality studies. lah S Special Publication No Adriaanse M., Niederlander H. A. G., Stortelder P. B. M., 1995: Monitoring water quality in the future, Vol. 1: ChemicaJ monitoring. Lelystad, The Netherlands