badanie wybranych parametrów fizyczno

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.
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 12 -13 mg O2/dm3.
- 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.
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:
=
∗ 760 ∗ 100
[%]
∗
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
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.
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, 40-50 mezotroficznych, 50-70 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
– wskaźnik „zawiesinowy”
troficznego
na
podstawie
= 10 × [6 −
widzialności
krążka
Secchiego
ln
)]
ln 2
Gdzie:
IT - indeks troficzny Carsona określony na podstawie widzialności krążka Secchiego
(wskaźnik „zawiesinowy”),
Wks – widzialność krążka Secchiego (m).
3.3. POBÓR OSADU DENNEGO
Pobór osadu dennego odbywać się będzie przy użyciu sondy do poboru osadu typu Kajak model
13.030. 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 13.030
Uchwyt na
linkę nośną
Mechanizm sterowania
zaworem
Zawór zamykający
górny
Głowica do mocowania
rury
Rura (próbnik)
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.
KARTA POMIAROWA
- data i godzina wykonania badań:
- miejsce wykonywania badań :
-warunki meteorologiczne
temperatura otoczenia :
zachmurzenie:
opad :
Analiza parametrów fizyko-chemicznych
L.p
1
2
3
4
5
Parametr
pH
temperatura
przewodnictwo
tlen
widzialność
Jednostka
°C
µS/cm
mg/L
m
Odczyt
Stratyfikacja termiczno-tlenowa
Głębokość Temperatura Tlen Głębokość Temperatura Tlen
[m]
[°C]
[mg/L]
[m]
[°C]
[mg/L]
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