» ГЛАВНАЯ > К содержанию номера
 » Все публикации автора

Журнал научных публикаций
«Наука через призму времени»

Февраль, 2023 / Международный научный журнал
«Наука через призму времени» №2 (71) 2023

Автор: Балекова Акнур Аманбековна, магистр технических наук
Рубрика: Технические науки
Название статьи: К вопросу исследования процессов испарения воды

Статья просмотрена: 62 раз
Дата публикации: 25.01.2023

УДК 504.7

К ВОПРОСУ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ИСПАРЕНИЯ ВОДЫ

Балекова Акнур Аманбековна

магистр технических наук

НАО «Каспийский университет технологий и инжиниринга им. Ш. Есенова»,

г. Актау, Республика Казахстан

 

Аннотация. В работе рассматриваются результаты многолетних исследований ученых о процессах испарения Каспия,  что немаловажно при разработке мероприятий по снижению испарений с поверхности хвостохранилища Кошкар – Ата. В настоящее время зеркало пруда хвостохранилища, в связи с прекращением подачи адекватному испарению количества морской воды, существенно уменьшается, а площади сухих пляжей – увеличиваются. Таким образом, сама природа способствует замедлению процесса испарения высокотоксичной жидкости с поверхности «прудка». Вместе с тем промедление в решении  вопроса стабилизации уровня водного зеркала, может обострить обстановку в районе прилегающем к хвостохранилищу.

Ключевые слова: испарение, морская вода, хвостхранилище

 

 Введение: Экологическая опасность хвостохранилища Кошкар-Ата, требующего особого внимания, источника техногенного воздействия на окружающую среду – заключается в возможном загрязнении подземных вод и вероятности поступления вредных веществ с плотными рассолами в акваторию моря (море имеет гидравлическую связь с водоносными горизонтами и комплексами района) и пылении «пляжей» при ветровой эрозии хвостохранилища.

Цель исследования: Район расположения рассматриваемого хвостохранилища – юго-западная часть полуострова Мангышлак. В орографическом отношении район представляет денудационное плато, сформированное по отложениям неогена, которое осложнено достаточно крупными впадинами эрозинно-тектонического, суффозионно-карстового и дефляционного происхождения. Площадь впадины Кошкар-Ата 130 км². Наиболее низкая отметка дна впадины минус 38,2 м. Борта впадины имеют относительное превышение над современным урезом воды около 8 м. С запада и северо-запада на берегах впадины развиты перевиваемые эоловые пески. Отступление береговой линии за счет повышения уровня воды наиболее интенсивно происходило на восточном низменном берегу хвостохранилища. В июле наблюдается высокое испарение с водной поверхности (250-300 мм); суммарная величина испарения в теплый сезон в 15-20 раз превышает сумму атмосферных осадков. Зимой ветры западные северо-западные, летом – восточные и юго-восточные. Средняя годовая скорость ветра 6-7 м/с. Максимальная скорость ветра (20-25 м/с) наблюдается в зимнее-весений период. В целом, преобладают ветры северо-западного направления. Днище впадины до начала эксплуатации представляло собой сор, к южной части которого приурочено месторождение поверенной соли следующего химического состава (в %): NaCl-95,75-97,0; CaSO₄-0,9-2,55; MgSO₄-0,09-0,078 и MgCL₂-0,12-0,63. Запасы поваренной соли Кошкаратинского месторождения оценивались 17,8 млн. т. В результате постоянной подачи на протяжении десятков лет в хвостохранилище «Кошкар-Ата» складируемого материала с одной позиции, основная масса отложений сформировалась в ближайшей к действующему выпуску зоне хвостохранилища. Объем сформированных отложений занимает, по крайней мере, одну треть всего объема хвостохранилища. Часть отложений находится выше водной поверхности с максимальным превышением уровня 1,5 м; общий уклон поверхности «обнаженной» части отложений от выпуска 0,0005, а ее площадь – более 15 млн. м².

 Методы исследования: В настоящее время зеркало пруда хвостохранилища, в связи с прекращением подачи адекватному испарению количества морской воды, существенно уменьшается, а площади сухих пляжей – увеличиваются. Имеющиеся источники информации посвящены вопросам наблюдения за процессом испарения с поверхности мирового океана и с различных вод­ных объектов [1-4]. На поверхности Земли при существующих условиях вода стремится ос­таться преимущественно в жидком виде. Чтобы перевести её из жидкого со­стояния в парообразное или из твердого в жидкое, надо затратить большое количество энергии. Эта энергия требуется, как это следует из гипотез, для разрушения её межмолекулярной структуры. Обычно такие затраты энергии называются скрытой теплотой испарения или таяния.

Известно, при плавлении 1 г воды поглощается 333,7 Дж (79,7кал) без повышения температуры, а в точке испарения 2258,5 Дж (539,4кал) также без изменения температуры. Чтобы превратить лед в воду необходимо затратить 332,43 Дж на 1г, а для пре­вращения такого же количества воды в пар требуется 2 258,5 Дж. При обрат­ных переходах - превращении пара в воду и воды в лед - из каждого грамма воды выделяется эквивалентное количество тепла.

При испарении воды раз­рываются все межмолекулярные связи. Превращение льда в воду (таяние) требует затрат энергии на много меньше, чем на испарение. Это может сви­детельствовать о разрыве только части межмолекулярных связей - не более 20%, о чем можно судить по соотношению цифр 333,7 и 2258,5 Дж - при её пере­ходе из твердого состояния в жидкое. Скрытая теплота плавления воды -наиболее высокая среди всех веществ за исключением аммиака и водорода, а скрытая теплота испарения - наиболее высокая из всех веществ, т.е. и по этим свойствам вода выступает как уникальная субстанция.

Таким образом, чтобы добиться ис­парения воды надо затратить огромное количество тепла. Уже известно, что основная часть солнечной энергии, поглощаемая гидросферой, затрачивает­ся на испарение. Каждую минуту на испарение с поверхности океана уходит 2·10¹⁸Дж. солнечной энергии. Но это тепло не потеряно для планеты. При конденсации паров в верхней части тропосферы тепло, затраченное на испа­рение, вновь выделяется.

Водяной пар выступает как теплоноситель, переме­щающий тепло Солнца, для излучения которого атмосфера прозрачна, от по­верхности океана и увлажненной поверхности суши к уровню конденсации в атмосфере. Мощные импульсы тепла, возникающие при конденсации, слу­жат одним из двигателей циркуляции атмосферы и, возможно, источником энергии тропических ураганов. Пары воды в атмосфере играют и другую не менее важную роль; они пе­рехватывают и поглощают тепловое (инфракрасное) излучение Земли, создавая парниковый эффект. Роль водяного пара в парниковом эффекте, по мне­нию автора [1] значительно существеннее, чем роль углекислого газа.

Атмо­сферную влагу можно сравнить с теплым одеялом, окутывающим нашу Зем­лю. Весну и осень умеренных широт можно рассматривать как время пере­стройки структуры воды в первом случае от льдистой к квазильдистой и во втором - наоборот. Для подобной перестройки весной необходимо много те­пла и времени, так как приток тепла нарастает сравнительно медленно, а за­пасы снега на поверхности Земли бывают велики. Осенью наоборот, выде­ляющаяся Скрытая теплота замерзания тормозит процесс установления зимы. Поэтому и существуют сезоны в умеренных широтах. Наглядное представле­ние о выделяемых количествах тепла дает такое сравнение -1м³ воды при замерзании выделяет примерно столько же тепла, сколько его получается при сжигании 1 кг угля. В течение весенне-осеннего сезонов за счет скрытой те­плоты плавления (замерзания) происходит обмен таким количеством тепла, которое эквивалентно 2·10¹¹ тн, сожженного угля, что намного превышает го­довую добычу его во всем мире.

Чтобы изменить температуру воды на 1°С, нужно затратить (добавить при нагревании) 4,19 ДЖ тепла. Эта величина называется удельной теплоем­костью. У воды она одна из самых высоких, значительно больше, чем у лю­бого другого вещества, за исключением жидкого аммиака и водорода, и при­мерно в 10 раз больше, чем у пород, слагающих земную кору. Тепловые характеристики воды имеют огромное значение для климата Земли, в системе которого вода выступает хранителем и переносчиком теп­ла, а также тепловым тормозом и стабилизатором. Гидросфера гасит теплые и холодные импульсы через изменение интенсивности испарения или путем смены соотношения между массами таких составляющих, как твердая (лед­ники) и жидкая (в основном, океан). Вода, через океаническую составляю­щую гидросферы, уменьшает различия в температуре между низкими (эква­ториальными) и высокими (полярными) широтами, так как мощные течения несут к полюсам огромные массы нагретой в тропиках воды, а от полюсов -холодные воды к тропикам. Теплые и холодные океанические течения на­столько сильно воздействуют на омываемые ими участки континентов, что существенно меняют широтную географическую зональность. Наконец, во­да на суше уменьшает разницу между дневными и ночными температурами, когда при образовании росы, изморози или тумана в приземном слое воздуха выделяется скрытая теплота. Увлажнение поверхности суши после осадков резко меняет физические свойства этой поверхности. Молекулы, находящиеся внутри массы воды, испытывают притяжение соседних молекул - магнитиков во всех направлениях. Если же молекула расположена на поверхности, то такое притяжение возможно только в ниж­ней полусфере вокруг молекул.

       Она как бы втягивается внутрь водной массы. Этим самым создается пленка поверхностного натяжения. Поверхностное на­тяжение воды больше, чем у любой другой жидкости, за исключением рту­ти, но внесение даже минимального количества добавок к воде резко умень­шает ее поверхностное натяжение. Предполагается, что у абсолютно чистой воды поверхностное натяжение таково, что по поверхности такой воды мож­но кататься на коньках. Есть насекомые, которые используют поверхностное натяжение для продвижения по акваториям. Может быть, библейская легенда о «хождении по водам» отражает когда-то существовавшее умение с помо­щью каких-то добавок приближать поверхностное натяжение воды к идеаль­ному состоянию. В естественной воде много разнообразных включений, которые обычно снижают поверхностное натяжение, и поэтому оно не препятствует возник­новению волн и ряби даже при не большом ветре. Волнение и рябь увеличи­вают площадь водной поверхности, так как она сморщивается. Для океана, например, это увеличение может достигать 50 % - гигантские волны.

А уве­личение поверхности означает и рост испарения. Так в [2], на основе многолетних наблюдений за процессом испарения воды в созданных малых водохранилищах Таджикистана, проводившихся с 1978 по 1987годы отмечается, что в аридных зонах выделено три этапа: первый этап длится обычно столько времени, сколько наполняется водохранилище. С постепенным подъемом уровня воды или же его снижением возрастает или уменьшается испарение, происходящее исключительно с открытой водной поверхности. Этот этап, как и все остальные, происходит одновременно со стадиями развития и формирования водной растительности по времени лишь не намного (год-два) отличаясь от них. Этап испарения с открытой поверхно­сти предшествует на 3-5 лет этапу испарения частично за счет транспирации водными растениями из-за необходимости последних набрать определенную биомассу. На пятом году жизни (2-ой этап) испарение малых водохранилищ Тад­жикистана [6] будет происходить как за счет открытой водной поверхности, так и за счет растительности, с тенденцией к стабилизации и составит 1,13 м слоя воды в год. Завершающим этапом испарения является почти полное за­растание акватории, идущее вслед за интенсивным заилением водохрани­лищ, что приведет к стабильному уменьшению испарения с водной поверх­ности и росту транспирации воды макрофитами. Испарение с поверхности водохранилищ мало, чем будет отличаться от испарения с увлажненной при­брежной зоны [2]. В этот промежуток времени оно будет возрастать лишь в годы с большой водностью. С целью уменьшения потерь на испарение водо­хранилища необходимо строить, по возможности, емкими с незначительны­ми площадями водного зеркала и большими глубинами. Выкашивание же макрофитов на водоемах может привести к уменьшению транспирации рас­тениями и, следовательно, снизит величину потерь на испарение. В работах [3,4] приводятся сведения о развитии исследований испаре­ния с поверхности Каспийского моря. Объем этих исследований значителен, однако до настоящего времени не получено надежного метода прогноза уровня Каспийского моря. С одной стороны это объясняется недостаточной изученностью его природы, а с другой - исследованием, в основном, лишь локальных особенностей его изменений, не связанных с глобальными про­цессами, происходящими на Земле. Учитывая, что это крупнейший водоем на Земле и его водосбор должен "почувствовать" климатические изменения гло­бального характера. В этой связи изменения уровня воды в нем можно рас­сматривать как некоторые проявления глобального масштаба. Изменения уровня воды в нем можно рассматривать как некоторые проявления глобаль­ного масштаба.

Для Каспийского моря справедливо уравнение водного баланса [3,6]:

 

,                                              (1)

 

где: V - объем водоема в момент времени t; U_b (t)  - приток воды в единицу времени; Е_b (t)   - слой видимого испарения (Е_b = Е - Р), теряемый в единицу времени; Е - испарение; Р - осадки; S (t)     - площадь поверхности водоема.

        Можно использовать также уравнение водного баланса вида:

 

,                                              (2)

 

где:  H - уровень воды в водоеме в момент времени t; S(H)    - площадь поверхности водоема при определении значения Н.

Заметим, что успех исследования будет зависеть как от точности (мето­дики) определения составляющих водного баланса, так и от выяснения при­чин их изменения, приток воды, площадь водоема, а также уровень воды в нем измеряются инструментально и только испарение рассчитывается. Не­достаточная изученность испарения приводит к наибольшей неопределенно­сти при использовании уравнений водного баланса. Осадки в водном балансе этого бассейна не превышают 20 % испарения и измеряются инструментально. Инструментальное же изменение испарения связано с большими сложностями, поэтому, как правило, оно рассчитывается. Наблюдения за испарением с поверхности Каспия ведутся достаточно давно (известны результаты измерения, выполненные еще А.И. Воейковым в 1884 г.) и достаточно систематически. При этом интегральные значения ис­парения и теплообмена определяются по осредненным (за месяц, год) исход­ным данным, что неизбежно влечет за собой ошибки из-за пренебрежения корреляциями между характеристиками воздуха и воды. Величина ошибок возрастает с увеличением периода осреднения и зависит от интенсивности взаимодействия водоема с атмосферой. Для учета этих ошибок были прове­дены дополнительные исследования и выполнены расчеты теплообмена и ис­парения с моря по первичной (не осредненной) гидрометеорологической ин­формации [3,4,5]. Значения испарения с поверхности Каспия в разные годы по данным разных авторов приведены в таблице 1.

Таблица 1. Среднегодовая характеристика испарения с поверхности Каспийского моря

 

Из таблицы видно, что различия между среднегодовыми значениями испарения, определенными по разным методикам, в разные годы, невелики (стандартное отклонение < 10% среднего значения 102 см/год). Поэтому среднегодовое значение испарения - 1м/год можно использовать для срав­нения [13-16]. Заметим, что совпадение среднегодовых значений испарения не озна­чает идентичности внутригодового хода. Для устранения некачественной (сомнительной) инфор­мации в программе предусматривалось исключение явно ошибочных данных. Всего в расчетах использовалось -150 тыс. гидрометрических данных, до­вольно неравномерно распределенных по акватории.

Вывод: Для нас принципиально важно то обстоятельство, что при анализе из­менчивости испарения и теплообмена используются карты основных средне­месячных характеристик воздуха (скорость ветра, температура воздуха, точка росы) и температура воды [3,4].

Учитывая, что по данным расчета водного баланса хвостохранилища «Кошкар-Ата» расположенного в непосредственной близи от Каспийского моря, средняя величина испарения и фильтрации за 15 лет составляет 1,20 м [5,6], можно с достаточной уверенностью задаться величиной испа­рения по 1,0 м, что корреспондируется с многолетними данными по Каспий­скому морю, хотя в случае хвостохранилища «Кошкар-Ата» имеет место вы­сокое солесодержание (почти на порядок выше), что замедляет процесс испа­рения, повышенная температура в отстойном пруде при небольшой его глубине [7].

Таким образом, сама природа способствует замедлению процесса испарения высотоксичной жидкости с поверхности «прудка». Вместе с тем промедление в решении  вопроса стабилизации уровня водного зеркала, может обострить обстановку в районе прилегающем к хвостохранилищу.

Список литературы:

1. Бочкарева Т.В. Экологический «джин» урбанизации. М:, 2008. с 61.
2. Арефьев В.Я. Заключение об инженерно-геолочических условиях площади хвостохранилища Кошкар-Ата. Стадия: технический проект. Пятигорск. 1962. с 14.
3. Борисов Н.Н. Отчет по определению возможных путей фильтрации сточных вод впадины Кошкар-Ата в Каспийское море. М:, Космоаэрологическая экспедиция №1. 1991. с 97.
4. Борисов Н.Н. Оценка экологической ситуации города Актау. М:, КАГЭ. №1. 1993. с 18.
5. Гусев В.А. Отчет об инженерно-геологических исследованиях в районе впадины Кошкар-Ата. 1958-1959 гг. 1959. с 21.
6. Отчет по НИР: Снижение экологического влияния хвостохранилища на окружающую среду. Ташкент. СазНИПИпт, 1992. с 55.
7. Кенжетаев Г.Ж, Жакаева Г. Негативное влияние хвостостохранилища Кошкар-Ата на окружающую среду, 2015.



Комментарии:

Фамилия Имя Отчество:
Комментарий: