Экспериментальная схема изучения динамики растворенных веществ в водных потоках

Стандартная методика проведения экспериментов по отслеживанию растворенных веществ заключается в непрерывной инжекции растворенного компонента заданной концентрации с постоянной скоростью непосредственно в русло водотока в течение периода от одного до нескольких часов. В ходе эксперимента исследователи выполняют серию последующих измерений, направленных на фиксацию пространственного распределения концентрации индикатора в продольном направлении, а также точную регистрацию времени прохождения импульса растворенного вещества (рис. 8.3). Данный подход позволяет детально охарактеризовать гидравлический перенос и динамику рассеивания в пределах исследуемого участка, обеспечивая получение количественных параметров, необходимых для биогеохимического моделирования.

Рисунок 8.3. Схема установки для измерения динамики растворенных веществ в потоке

A. Критерии выбора площадки. Большинство исследований переноса растворенных веществ проведено на водотоках первого—четвертого порядка с величиной расхода от менее 1 л/с до 250 л/с. Водотоки такого диапазона обладают практическим преимуществом — удобной доступностью, которая упрощает физические измерения и систематический отбор проб. При работе с более крупными реками требуются модификации как устройства для инжекции, так и схемы пробоотбора, чтобы сохранить целостность эксперимента.

Выбор подходящего водотока или участка русла определяется конкретным исследовательским вопросом — будь то изучение одного объекта или сравнительный анализ нескольких участков. Идеальная экспериментальная схема предполагает выбор одного либо нескольких водотоков, которые в совокупности обеспечивают варьирование физических и биологических условий. Для сравнительного гидравлического анализа двух участков исследователи могут выбрать один гидравлически простой участок (прямое русло, однородный субстрат, минимум древесного мусора) и один сложный участок (извилистая морфология, неоднородное дно, обилие древесных остатков).

Следует избегать участков со значительными боковыми притоками, поскольку они вносят дополнительные переменные, затрудняющие интерпретацию данных. Длина экспериментального участка зависит от гидравлических условий, но должна быть достаточной для полного перемешивания и дисперсии инжектированного растворенного вещества; предварительные тесты с красителем помогают определить оптимальную длину. Типичная длина варьирует от 50 м в очень малых ручьях до нескольких сотен метров в более крупных системах.

B. Выбор консервативных и неконсервативных растворенных веществ. Выбор подходящего консервативного растворенного вещества зависит от нескольких факторов: местных геологических условий, фоновой концентрации растворенных веществ в водотоке, бюджетных ограничений и доступного аналитического оборудования. Ключевым требованием является повышение концентрации выбранного индикатора до уровня, обеспечивающего надежное аналитическое определение. Наиболее часто используемые консервативные растворенные вещества включают соли хлорида, натрия, лития, калия и бромида. Среди них хлорид является самым распространенным консервативным индикатором благодаря низким фоновым концентрациям в большинстве систем и простоте измерений.

Хлорид можно экономично получить в виде NaCl из продуктовых магазинов или кормовых пунктов, однако исследователи должны убедиться в отсутствии йода в продукте. Большинство коммерческих препаратов NaCl содержат небольшое количество кукурузного крахмала или других антислеживателей, которые дают слабую мутность раствора, что обычно не влияет на результаты эксперимента. Концентрацию хлорида определяют несколькими аналитическими методами, причем измерители электропроводности предлагают наиболее удобный полевой подход. Сама по себе электропроводность может служить консервативным индикатором при правильной калибровке (например, Mulholland et al., 1994). Однако измерения электропроводности сильно зависят от температуры, поэтому большинство современных кондуктометров оснащены автоматической температурной компенсацией для измерения удельной электропроводности. В продаже имеются портативные ион-селективные зонды для определения хлоридов, бромидов, натрия и других ионов.

Преимущество бромида — чрезвычайно низкая естественная фоновая концентрация, что делает его особенно подходящим для водотоков с повышенным содержанием хлоридов. Однако ион-селективные датчики бромида обычно менее надежны по сравнению с хлоридными и чувствительны к изменениям концентрации хлоридов. Заметный недостаток натрия заключается в том, что 5–10% его массы может сорбироваться донными отложениями, тогда как хлорид практически не задерживается (Bencala, 1985). При отсутствии портативных полевых приборов исследователи могут отбирать пробы воды для последующего лабораторного анализа с использованием различных спектрографических методов.

Выбор питательного вещества (неконсервативного растворенного вещества) требует предварительного знания биогеохимических характеристик изучаемого водотока. Исследователи, скорее всего, захотят использовать то питательное вещество, которое наиболее сильно лимитирует автотрофные и гетеротрофные процессы; это можно выявить с помощью экспериментов с субстратом, высвобождающим питательные вещества, или исследований контролируемого добавления нутриентов (см. главы 10 и 32). Фосфаты и неорганические формы азота (нитраты или аммоний) представляют собой очевидных кандидатов. Окончательный выбор может зависеть от наличия приборов, способных измерять концентрации этих веществ с достаточной точностью. Важно избегать комбинаций, образующих осадок: например, кальций и фосфат нельзя использовать вместе, поскольку они формируют нерастворимые соединения.

C. Методы высвобождения. Простое, экономичное и не требующее электричества устройство для высвобождения представляет собой бутылку Мариотта (Mariotte bottle) (Webster and Ehrman, 1996), которая поддерживает постоянную скорость потока без внешнего источника питания. Однако дозирующие насосы с батарейным питанием (например, Fluid Measuring, Inc., Syosset, Нью-Йорк, США) обычно более надежны и могут быть легко отрегулированы в соответствии с изменяющимися условиями (колебания расхода, неожиданные погодные явления).

D. Дополнительные экспериментальные подходы. Помимо схемы с однократной инжекцией, можно сравнивать динамику переноса растворенных веществ в пространстве на нескольких участках в пределах одной или нескольких речных систем. Такие сравнения могут быть направлены на изучение условий до и после физических или химических манипуляций, а также временных изменений при различных режимах стока. Для каждого эксперимента по высвобождению растворенных веществ исследователи могут использовать компьютерные имитационные модели, чтобы воспроизвести полевые данные и рассчитать ключевые гидравлические параметры: коэффициенты дисперсии, характеристики удержания в зонах временного хранения.

Высвобождение неконсервативных (питательных) веществ может осуществляться одновременно с использованием консервативного индикатора для оценки динамики поглощения нутриентов. Также возможно компьютерное моделирование динамики неконсервативных растворенных веществ и последующее сравнение с динамикой консервативных индикаторов для количественной оценки удержания питательных веществ. Детальные описания методов компьютерного моделирования приведены далее в этой главе.

E. Процедуры анализа данных. Основные физические измерения, выполняемые во время каждого эксперимента по инжекции, включают расход воды в ручье, среднюю глубину воды и среднюю ширину смоченного русла для всего исследуемого участка. Измерения дополнительных параметров — скорости тальвега, уклона русла, площади или объема древесного мусора — необязательны, но могут дать ценную дополнительную информацию.

Исследователи могут рассчитать гидравлические характеристики (расход и скорость) по кривой постоянной концентрации растворенного вещества, построенной во времени, используя результаты эксперимента. Однако до начала эксперимента необходимо получить обоснованную оценку расхода, чтобы точно рассчитать ожидаемые концентрации инжектируемого раствора. Продолжительность и скорость усвоения (поглощения) могут быть рассчитаны на основе данных о концентрации питательных веществ с применением отрицательной экспоненциальной модели.

Другие гидравлические характеристики зоны исследования — в частности, коэффициенты дисперсии, площадь зоны временного хранения и скорость обмена — определяются с помощью процедур подгонки кривых (curve-fitting) к компьютерным имитационным моделям с использованием консервативных данных о растворенных веществах. Эти аналитические методы более подробно описаны далее в этой главе.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Ф. Ричард Хауэр и Гэри А. Ламберти

Источник: Методы в экологии ручьев

Данные публикации будут полезны студентам экологических и географических специальностей, начинающим специалистам в области гидрологии, геоморфологии и управления водными ресурсами, а также всем, кто интересуется динамикой речных экосистем и вопросами охраны природных ландшафтов.