XI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Исследование естественной фильтрации воды в голубом озере в пойме реки Вэсако-Яха
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Особенный объект исследования и выдвинутое предположение.
Фото 1. Изображения объекта со спутниковой карты SAS-Planet.
На территории Ямала расположено бесчисленное количество рек, озер и природных водоемов. В основной массе вода в них стоялая темная в основном из-за большого содержания органических включений. На съемках из космоса видно их темно-бурый цвет. Можно предположить, что и по своим физико-химическим характеристикам они будут схожи.
Проглядывая спутниковую карту Тазовского района, для определения маршрута будущей экспедиции, мы стали наблюдать объект с нехарактерным цветом воды, отличительным от всего водоресурса местности.
При максимальном расширении спутниковой карты наблюдается, что на месте бывшего карьера образовалось неординарное природное явление – озеро с голубым цветом воды. Голубое озеро находится в 18 км от районного поселка Тазовский Ямало-Ненецкого автономного округа.
Этот объект стал интересен в том плане, почему среди практически однообразного водоресурса образовался отличительный водоем, с вероятно иными характеристиками содержащейся в нем водной среды. Само голубое озеро располагается в термокастовой чаше, бывшего карьера, из которого в течении последних 10 лет вывозился грунт для обустройства газовых месторождений.
У нас возникло предположение, что образование светлой чистой воды с голубым оттенком это результат естественной фильтрации сточной в основном осадочной воды и ее минерализация пластами вскрытого грунта.
На основании данных полученных по спутниковой карте, было принято решение изучить на местности этот объект и исследовать причину возникновения воды с другими физико-химическими показателями.
Цель и задачи исследования.
Основная цель - определить факторы образования отличительных характеристик воды из карьера от основного водоресурса Тазовского района.
Задачи исследования:
1. Произвести анализы воды и грунта на объекте исследования.
2. Отобрать образцы грунтов и воды из карьера в пойме реки Весокояха для дальнейших экспериментальных исследований.
3. Провести лабораторный эксперимент по минерализации воды грунтами взятыми с объекта с целью получения образцов воды сходных по характеристикам с образцами проб голубого озера.
4.Изучить условия формирования и возможные причины возникновения особенного оттенка воды в исследуемом озере.
Экспресс анализ и отбор проб воды и грунта из карьера.
На объекте исследования – выработанном карьере существует 2 водоема: мутно-серое озеро и основное голубое озеро. На этих водоемах был проведён экспресс анализ вод по показателям: водородный показатель определяли прибором рН-метром фирмы HANNA, минерализацию воды и ее температуру измеряли прибором кондуктомером фирмы HANNA.
Результаты полученных анализов представлены в таблице 1.
Показатели качества воды чистого (голубого) озера и прилегающего к нему мутного водоема.
Таблица 1
|
№ |
Проба |
рН |
Солесодержание, г/л |
Температура, °С |
|
1 |
Озеро с прозрачной водой |
8,23 |
0,136 |
8 |
|
2 |
Мутное озеро |
6,63 |
0,018 |
8 |
По полученным результатам экспресс анализа можно сделать следующие выводы:
1. рН в озерах с мутной водой имеет нейтральный водородный показатель, со смещением в кислотную сторону. Такой показатель свойственен для стоялых и замкнутых водоемов.
2. Солесодержание мутных озер имеет низкое значение, что говорит об осадочном происхождении воды в условиях Крайнего Севера.
3. рН нейтральный показатель воды взятой с карьерного голубого озера имеет щелочное значение.
4.Минерализация воды в исследуемом объекте имеет повышенное и отличительное значение от всего водоресурса Тазовского района.
Исходя из полученных данных возникает предположение, что химические характеристики воды из карьерного озера возникли в результате ее соприкосновения с открытыми слоями карьерного грунта.
Экспресс анализ грунтов на объекте исследования и отбор образцов производился в трех местах: в прилегающей к карьеру тундре, по верхней кромке выработки карьера и непосредственно в карьере.
Фото 2. Образцы типов грунтов с карьера и отбор почвы на последующие анализы и экспериментальные исследования.
На фото 2 наблюдаем слоистую структуру карьерного грунта. В толще песка расположены крупные вкрапления серо-голубой глины разной толщины.
Методом экспресс диагностики был проведен анализ грунта с карьера и близлежащий участок тундры по показателям: температура, влагосодержание, рН-метрия. Аналитическими приборами: термометр электронный, рН–метр для грунта марки iTuin 4 в 1, тестер-влагомер.
Показатели качества грунта.
Таблица 2.
|
№ |
Пробы грунта |
рН |
Влажность, % |
Температура, ºС |
|
1 |
Тундра в пойме Вэсакояха |
6,5 |
80 |
11 |
|
2 |
Верхняя кромка карьера |
7,8 |
50 |
10 |
|
3 |
Грунт в карьере, глина |
8,2 |
40 |
9 |
Кислото-щелочной анализ образцов глины проверен рН –метром для грунта марки iTuin 4 в 1, водородный показатель соответствует 8,23 рН (смещение в щелочную сторону).
Фото 3. Измерение параметров грунта на объекте исследования
Для измерения глубины оттаявшего верхнего слоя многолетней мерзлоты использовали металлический щуп. По верхней кромке карьерной выработки глубина оттаявшего грунта доходила до 2 метров, открытый грунт у озера протаял до 1 метра, грунт защищенный тундровым дерном оттаял на величину 0,7-0,8 метра.
Территория Пур -Тазовского водораздела является дном древнего моря. Внешние грунтовые слои представляют собой залежи осадочных пород: пылеватого песка смешанного со слоями вторичной глины (тундровые глево-подзолистые грунты)1,3. Найденная нами глина имеет явное осадочное происхождение, с большими разводами коричневого цвета, вероятно окислов железа (см. фото 4). Казалось бы, на фоне подобного состава грунта мы должны иметь не голубое озеро, а как и все рядом стоящие водоемы, коричневое озеро. Но это не так, и в этой загадке природы нам предстоит разобраться.
Фото 4. Пласт глины привезенный с объекта исследования.
Предполагаем, что обнаруженная в карьере поймы реки Вэсакояха глина служит источником образования необычного оттенка воды. Грунтовые и осадочные воды стекая в «ложку» карьера соприкасаются со слоем глины. В результате этого соприкосновения вода осаждается и частично фильтруется, приобретая химические показатели не свойственные водам той местности.
Возможно природная фильтрация воды произошла в следствии следующих факторов:
В результате карьерной разработки грунта произошло термокарстовое понижение ландшафта местности и образования нового термокарстового озера.
В образовавшемся водоеме (2004-2007гг.) произошло соприкосновение открытого слоя голубой глины со скопившейся талой грунтовой и осадочными водами.
В результате естественного термо-динамического воздействия (холод зимой и положительные температуры летом) в течении нескольких лет произошло растворение минерального состава глинистых пластов с накопившимися водами, что и обусловило образование наблюдаемых характеристик исследуемой воды.
Принимая во внимание совокупность сложившихся условий формирования данного процесса, было принято решение о лабораторном эксперименте смешивания воды из близлежащих водоемов с образцами глины, взятой из карьера, с последующей фильтрацией ее, с целью получения образцов воды сходных по характеристикам отобранных проб с объекта исследования.
Используя естественные грунтовые и водные материалы моделируем процесс естественного пропуска воды. По предварительному заключению нам известно, что в результате взаимодействия воды с грунтам из карьера происходит изменение ее физико-химических характеристик. Основными грунтами являются пылеватый песок и вторичная глина.
Вода для проведения эксперимента была отобрана и привезена из близлежащих к карьеру термокарстовых озер.
Моделирование процесса двух ступенчатой фильтрации воды с использованием натуральных природных фильтрующих элементов, привезенных с объекта исследования.
Основная идея моделирования процесса двух ступенчатой фильтрации заключается в возможности определить факторы образования отличительных характеристик воды из карьера от основного водоресурса Тазовского района.
Цель эксперимента – изучить процесс фильтрации воды и причину возникновения голубовато-белесого ее оттенка.
Задачи эксперимента:
Подготовка необходимого оборудования для проведения эксперимента;
Моделирование процесса двух ступенчатой фильтрации воды
Анализ полученных результатов эксперимента.
При проектировании системы фильтрации учитывались толщина естественных фильтрующих материалов глины и песка. Их способность пропускать через себя водные растворы.
В первой ступени фильтрации толщина фильтрующих материалов составляла: глины 3-5 мм в каждом фильтрующем элементе, песка 20-30 мм, соответственно в каждом фильтрующем элементе.
Конструкция фильтрующих элементов состоит из обрезных пластиковых пятилитровых бутылок. Каждый элемент вставлен в последующий и закреплен на деревянной стойке к стене.
Рис 1. Схема первой ступени фильтрации.
Подготовка и заполнение фильтрующих элементов естественными картриджами (глина и песок с карьера поймы Вэсакояха) показаны на фото 5 .
Фото 5. Заполнение фильтрующих элементов естественными картриджами.
Во второй ступени фильтрации воды необходимо создать избыточное давление воды, чтобы продавить достаточно толстый слой глины. Поэтому принимаем решение опытным лабораторным путем определить толщину фильтрующего элемента из глины и высоту установки второй ступени.
Лабораторным путем было установлено, что толщина глиняного фильтрата не должна превышать 10 мм при высоте фильтровальной установки 1050мм. Толщина слоя песка не имела принципиального значения. Фильтрующий слой песка загружался в установку слоем 50-70мм.
Рис 2. Схема второй ступени фильтрации.
С цель обеспечения достаточного объема фильтрации, принимаем решение о возможности увеличить высоту фильтровальной установки второй ступени до 2 метров, а толщину глиняного фильтрата довести до 20 мм.
Воду после первой ступени фильтрации пропускаем через вторую ступень фильтровальных материалов. Появляется возможность медленно пропустить столб не до фильтрованной воды через более мощный слой глины. Это дает возможность слоям фильтровального материала шире взаимодействовать с проходящей через него водой.
Изготовление и сборка двухступенчатой установки фильтрации воды.
П ри сборке и установке первой ступени фильтрации использовались пятилитровые пластиковые бутылки.
Фото 6. Двухступенчатая фильтровальная установка
Монтаж второй ступени фильтрации выполнен из пластиковой трубы Ø100 мм и высотой 1050 мм, с возможностью дополнительной вставки до 2100 мм.
Анализ полученных результатов после фильтрации воды.
Воду, прошедшую через первую ступень фильтрации, повторно пропускали через второй фильтр установки, добиваясь физико-химических характеристик с водой, привезенной с карьерного озера.
Все результаты первой и второй фильтрации воды были систематизированы и изложены в журнале химического анализа (таблица 3).
Журнал химического анализа воды после первой и второй ступени фильтрации.
Таблица 3
|
Дата |
№ пробы |
Прозрач-ность |
Солесодержание |
Pн |
t°c |
|
28.10.18 |
1 ступень ввод |
7 |
0,029 |
7,74 |
22,4 |
|
1 ступень выход |
10 |
0,120 |
8,34 |
22,4 |
|
|
2 ступень ввод |
10 |
0,120 |
8,34 |
22,4 |
|
|
2ступень выход |
20 |
0,133 |
8,55 |
22,4 |
|
|
29.10.18 |
1 ступень ввод |
10 |
0,014 |
7,98 |
21,7 |
|
1 ступень выход |
14 |
0,103 |
8,14 |
21,7 |
|
|
2 ступень ввод |
14 |
0,103 |
8,14 |
21,7 |
|
|
2ступень выход |
22 |
0,135 |
8,31 |
21,7 |
|
|
30.10.18 |
1 ступень ввод |
12 |
0,016 |
7,65 |
23,2 |
|
1 ступень выход |
16 |
0,120 |
8,16 |
23,2 |
|
|
2 ступень ввод н в |
16 |
0,1200,130 |
8,16 |
23,2 |
|
|
2 ступень выход |
>22 |
0,137 |
8,46 |
23,2 |
|
|
31.10.18 |
1 ступень ввод |
2 |
0,015 |
7,99 |
21,4 |
|
1 ступень выход |
7 |
0,099 |
8,05 |
21,4 |
|
|
2 ступень ввод |
7 |
0,099 |
8,05 |
21,4 |
|
|
2 ступень выход |
20 |
0,145 |
8,54 |
21,4 |
|
|
1.11.18 |
1 ступень ввод |
5 |
0,012 |
7,54 |
19,8 |
|
1 ступень выход |
13 |
0,106 |
8,12 |
19,8 |
|
|
2 ступень ввод |
13 |
0,106 |
8,12 |
19,8 |
|
|
2ступень выход |
>22 |
0,159 |
8,48 |
19,8 |
|
|
2.11.18 |
1 ступень ввод |
8 |
0,023 |
7,85 |
22,2 |
|
1 ступень выход |
16 |
0,126 |
8,04 |
22,2 |
|
|
2 ступень ввод |
16 |
0,126 |
8,04 |
22,2 |
|
|
2ступень выход |
>22 |
0,147 |
8,28 |
22,2 |
В результате проведенных лабораторных работ выяснилось, что:
- водородный показатель сместился с 7,7 до 8,55 в щелочную сторону;
- прозрачность воды увеличилась с 5 см до >22 см по кольцу;
- показатель минерализации увеличился с 0,012 г/л до 0,159 г/л.
Анализы воды брались приборами: кондуктомер фирмы HANNA, pH-метр фирмы HANNA.
Из этого следует, что в результате продолжительного контакта воды из термокарстовых водоемов в системе фильтрации идет ее насыщеннее солями с изменением кислото-щелочного баланса со смещением в щелочную сторону. Изменяется прозрачность и цветность воды.
Фото 7. Определение прозрачности воды по кольцу.
Основные выводы по исследовательской работе.
По результатам анализов воды и грунта на объекте исследования было выдвинуто предположение, что в карьере поймы реки Вэсакояха глина служит источником образования необычного оттенка воды. Грунтовые воды стекая в «ложбину» карьера соприкасаются со слоем глины. В результате этого соприкосновения вода осаждается и частично фильтруется, приобретая химические показатели не свойственные водам той местности.
В результате проектно-экспериментальной работы изготовили и запустили в эксплуатацию фильтровальную установку для пропуска воды отобранной из термокарстовых водоемов.
Химический анализ воды, прошедший систему фильтрации показал:
- водородный показатель сместился 7,7 до 8,55 в щелочную сторону;
- прозрачность воды увеличилась с 5 см до >22 см по кольцу;
- показатель минерализации увеличился с 0,012 г/л до 0,159 г/л
При продолжительном контакте воды из термокарстовых водоемов в системе фильтрации идет ее насыщеннее солями, с изменением кислото-щелочного баланса со смещением в щелочную сторону. Прозрачность воды соответствует водам «голубого» озера расположенного в месте заброшенного карьера.
Литература
Статья Почвы Западной Сибири https://stroy-podskazka.ru/pochva/zapadnoj-sibiri/#h2_760785
Статья «Показатели качества воды и их определение» https://teplosten-aqua.ru/articles/pokazateli-kachestva-vody-i-ih-opredelenie.html
Статья «Глины» http://www.xumuk.ru/encyklopedia/1095.html
Спутниковая карта SASPlanet.