Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ И АНАЛИЗА ДИНАМИКИ ОБЪЕМНОГО РАСХОДА ВОДОТОКА РОДНИКА

Изобретение относится к гидрологии суши и инженерной экологии, может быть использовано при экологическом мониторинге антропогенных воздействий на изменение загрязнения родников, а также при мониторинге за гидрологической структурой на основе измерений и анализа динамики времени наполнения мерного сосуда и объемного расхода воды отдельными водотоками родника, для обоснования мероприятий по защите природной среды на местности с родниками и ландшафтного обустройства территории охранной зоны и земельного участка облагораживаемого родника.

Известен способ измерения объемного расхода или дебита родника (см. брошюру: Методика составления экологического паспорта родника. URL: http://www.edu.yar.ru/mssian/projects/spring/metod.html (дата обращения 17.11.2012). Дебит источника - это его мощность, то есть возможный расход воды. Он определяется следующим образом. При отсутствии у родника желоба, по которому стекает вода, лопатой делается углубление на дне. В срез углубления вдавливается кусок жести, согнутой в форме желоба. Под желоб ставится стеклянная банка емкостью 1 литр, и по секундомеру вычисляется время заполнения банки водой.

Следует вычислить расход воды: а) за 1 час и б) за сутки.

Недостатком аналога является представление родника как одного целостного водотока. Причем этот недостаток исходит из существующего стандарта СНиП 2.04.02-84 «Строительные нормы и правила» раздела «Водоснабжение. Наружные сети и сооружения» (дата введения 1985-01-01). В требованиях «Каптаж родников» записано:

5.54. Каптажные устройства (водосборные камеры или неглубокие опускные колодцы) следует применять для захвата подземных вод из родников.

5.55. Захват воды из восходящего родника следует осуществлять через дно каптажной камеры, из нисходящего - через отверстия в стене камеры.

5.60. При наличии вблизи нисходящего родника нескольких выходов воды каптажную камеру следует предусматривать с открылками.

Таким образом, существующие способы измерения объемного расхода родника предусматривают наличие у облагороженного родника каптажного устройства. Поэтому в сознании исследователя автоматически появляется облик родника как цельного устройства с общим расходом воды.

Известен также способ измерения расходов воды источников (см. книгу: Давыдов Л.К. Глава VI. Гидрологические исследования рек // Обручев С.В. СПРАВОЧНИК ПУТЕШЕСТВЕННИКА И КРАЕВЕДА. Том II. URL: http://www.outdoors.ru/book/obruchev/cp/cp_kr_t2_g16.php (дата обращения 17.11.2012), содержащий последовательность действий без учета каптажного устройства и учитывающий измерения и на не облагороженных родниках.

«Для определения расхода воды объемным способом нужны протарированный мерный сосуд (кружка, ведро), секундомер и металлический лоток-желоб. Назначение последнего в том, чтобы воду источника собрать в мерный сосуд. Участок для измерения дебита источника следует выбрать как можно ближе к выходу его на поверхность, там, где вода протекает в суженном русле, имеющем перепад или же крутое падение, так как в таком месте удобно установить лоток для отвода воды в мерный сосуд.

Если источник имеет несколько выходов, расположенных независимо друг от друга, то рекомендуется предварительно соединить все выходы в один поток. Следует применять мерные сосуды такой емкости, чтобы они заполнялись не быстрее 5 секунд. Время наполнения сосуда определяется по секундомеру. Дебит щеточника вычисляется по формуле: q=Q/t, где q - дебит источника в л/сек, Q - объем мерного сосуда в литрах, t - время заполнения мерного сосуда в секундах».

Достоинством является то, что прототип является наиболее простым способом измерения дебита источников.

Основным недостатком является то, что объемный метод применяется при сравнительно небольших расходах источника (не свыше 3-4 литров в секунду). При больших расходах пользуются поплавками, либо вертушкой.

Этот недостаток прототипа исходит снова, как и в аналоге, из представления о цельности гидрологической структуры родника и его параметра по объемному расходу родниковой воды. На это указывает фраза «Если источник имеет несколько выходов, расположенных независимо друг от друга, то рекомендуется предварительно соединить все выходы в один поток». Такое упрощение гидрологической структуры сложного родника еще до начала проведения измерений исходит из потребительской концепции, когда родник понимается единственно как хозяйственный объект для эксплуатации на водопотребление человеком. До предлагаемого научно-технического решения принципы динамического представления родника как множества отдельных крупных и малых водотоков в гидрологии суши вообще не ставилась. И такая доктрина покорения природных объектов, в нашем случае родников, до сих пор не давало выявлять фундаментальные закономерности динамики в реальном режиме времени у параметра объемного расхода отдельного водотока родника как физической величины.

Поэтому наше научно-техническое решение выходит далеко за пределы техники и технологии антропогенного водопотребления и позволит в будущем выявлять биотехнические закономерности круговорота (по данным австралийских ученых цикл обновления подземной водой родника в аридных зонах занимает не менее 50 лет) подземной и родниковой воды.

Технический результат - повышение точности измерений и анализа динамики естественного поведения родника по его отдельному водотоку, а также расширение функциональных возможностей предлагаемого способа на основе выявления биотехнических закономерностей времени наполнения мерного сосуда и сравнения расхода воды от крупного и мелкого водотока одного родника в реальном режиме времени по суткам.

Этот технический результат достигается тем, что способ измерения и анализа динамики объемного расхода водотока родника, включающий выбор участка для измерения дебита родника с несколькими выходами родниковой воды, расположенными независимо друг от друга, выбор мерных сосудов такой емкости, чтобы они наполнялись не быстрее 5 секунд, измерение времени наполнения мерного сосуда секундомером, вычисление объемного расхода делением объема мерного сосуда на время его наполнения в секундах, отличающийся тем, что каждый независимый выход родниковой воды принимается за отдельный водоток и как независимый объект измерения времени наполнения мерного сосуда секундомером и вычисления объемного расхода делением объема мерного сосуда на время его наполнения в секундах, при этом дополнительно измеряют значения текущего времени измерений с момента начала первого опыта до начала последнего опыта в одном эксперименте, продолжительности проведения серии измерений в одном опыте с повторами, а также продолжительности между отдельными опытами по их началам, после проведения всех опытов в одном эксперименте проводят статистическое моделирование и выявляют биотехнические закономерности динамики объемного расхода родниковой воды отдельным водотоком родника.

При использовании в измерениях всех опытов одного эксперимента одного и того же мерного сосуда с постоянной вместимостью за дополнительный показатель динамики поведения сравниваемых водотоков изучаемого родника принимают время наполнения мерного сосуда.

Текущее время измерений с момента начала первого опыта до начала последнего опыта измеряют в часах для выявления закономерностей динамики расхода водотока в зависимости от влияния обращения Земли вокруг самого себя, то есть в течение нескольких суток, при этом измерения проводят в разное время суток при не менее 10 повторах, причем за продолжительность проведения одной серии измерений в одном опыте с повторами принимают не более чем за 10 минут.

Текущее время измерений с момента начала первого опыта до начала последнего опыта одного эксперимента измеряют в сутках для выявления закономерностей динамики расхода водотока в зависимости от влияния обращения Земли вокруг Солнца, при этом измерения проводят за продолжительность проведения серии измерений в одном опыте с повторами измерения не более чем за 30 минут.

Для измерения расхода воды от водотоков разной мощности у одного и того же родника при грубой точности измерений для ориентировочного анализа отдельных водотоков применяют мерные сосуды такой емкости, чтобы они заполнялись не быстрее 5 секунд, что при реакции человека по 0,3 секунды на включение и отключение секундомера погрешность измерений времени наполнения составляет 0,6 секунды, тогда измерения будут проведены с общей погрешностью измерений не более 100×0,6/5=12%.

Для измерения расхода воды от водотоков разной мощности у одного и того же родника при технической точности измерений для научно достоверного анализа отдельных водотоков применяют мерные сосуды такой емкости, чтобы они заполнялись не быстрее 15 секунд, что при реакции человека по 0,3 секунды на включение и отключение секундомера погрешность измерений времени наполнения составляет 0,6 секунды, тогда измерения будут проведены с общей погрешностью измерений не более 100×0,6/15=4%.

Для измерения расхода воды от водотоков разной мощности у одного и того же родника при высокой точности прецизионных измерений для научно высокоадекватного анализа отдельных водотоков применяют мерные сосуды такой емкости, чтобы они заполнялись не быстрее 50 секунд, что при реакции человека по 0,3 секунды на включение и отключение секундомера погрешность измерений времени наполнения составляет 0,6 секунды, тогда измерения будут проведены с общей погрешностью измерений не более 100×0,6/50=1,2%.

Для повышения адекватности выявляемых биотехнических закономерностей при каждом опыте кАк сеансе измерений выполняют не менее 10 повторений, при этом среднее арифметическое значение времени наполнения не вычисляют, а все повторения измерений секундомером времени наполнения мерного сосуда и повторения расчетных значений объемного расхода отдельного водотока родника помещают в программную среду, например, типа CurveExpert для статистического моделирования идентификацией устойчивыми законами и волновыми закономерностями.

Для повышения точности идентификации биотехнических закономерностей поведения отдельного водотока родника по результатам измерений времени наполнения мерного сосуда и расчетных по ней значений объемного расхода родниковой воды в реальном режиме времени по суткам измерения выполняют в одно и то же время суток, например в 17 часов по местному времени.

Для выявления сезонного изменения значений времени наполнения мерного сосуда и объемного расхода водотока родника в одном эксперименте режим повторных опытов с требуемыми повторениями измерений принимают с периодичностью не менее один раз в месяц, при этом для выявления волновых закономерностей колебательного возмущения отдельного водотока родника общую продолжительность эксперимента принимают не менее двух лет.

Измеренные значения времени наполнения мерного сосуда идентифицируют в виде биотехнической закономерности по формуле

Т=Т₁+Т₂,

, T₂=Aexp(πτ/p-a₈), , p=a₆+a₇τ,

где T - время наполнения мерного сосуда родниковой водой из одного измеряемого водотока, с; T₁ - первая составляющая времени наполнения мерного сосуда, показывающая тенденцию динамики показателя по экспоненциальному закону роста или спада (при отрицательном знаке перед параметром модели а₁), с; Т₀ - начальное значение времени наполнения при условии т=0, то есть в начале процесса эксперимента, с; T₂ - вторая составляющая колебательного возмущения времени наполнения мерного сосуда родниковой водой из водотока родника, с; А - амплитуда (половина) колебательного возмущения, с; p - период (половина) колебания, сутки; а₁…а₈ - параметры статистической модели, получаемые ее идентификацией по измеренным данным в программной среде CurveExpert.

Расчетные значения расхода отдельного водотока изучаемого родника идентифицируют в виде биотехнической закономерности по формуле

q=q₁+q₂,

q₁=q₀ q₂=Аехр(πτ/p-а₅), А=a₁exp(-а₂τ), p=а₃-а₄τ,

где q - объемный расход родниковой водой из одного измеряемого водотока в данный момент измерения, л/с или мл/с; q₁ - первая составляющая объемного расхода водотока родника, показывающая постоянную тенденцию динамики показателя, л/с или мл/с; q₀ - начальное значение объемного расхода водотока при условии τ=0, то есть в начале процесса эксперимента, л/с или мл/с; q₂ - вторая составляющая колебательного возмущения объемного расхода воды из водотока родника, л/с или мл/с; А - амплитуда (половина) колебательного возмущения, л/с или мл/с; p - период (половина) колебания, сутки; а₁…а₅ - параметры статистической модели, получаемые идентификацией по измеренным данным в программной среде CurveExpert.

Для анализа динамики общего дебита родника вычисляют суммированием объемных расходов всех водотоков родника по результатам расчетов в программной среде Excel по выявленным биотехническим закономерностям объемного расхода воды всех водотоков родника.

Для прогнозирования общего дебита родника на период прогноза, не больший или равный продолжительности эксперимента, вычисления проводят по биотехническим закономерностям объемных расходов у каждого отдельного водотока.

Сущность технического решения заключается в том, что родник является, как правило, многопоточным и высокодинамичным по гидрометрическим параметрам природным объектом. При этом основное питание родника происходит от подземных вод, круговорот которых протекает в течение десятков лет. В итоге любую территорию с родниками, как показали австралийские ученые, можно отнести к двум группам поведения:

1) антропогенное воздействие в ретроспективе, с момента проведения измерений, на объекте исследования продолжалось значимо меньше 50 лет;

2) к моменту эксперимента загрязнение территории вокруг родника продолжалось намного более 50 лет.

Вначале нужно изучать родники на экологически чистых земельных участках, каким является изученный нами родник. И только затем можно будет перейти к изучению гидрометрических параметров и гидрологических режимов сложных по множеству водотоков родников, находящихся во все более загрязненных земельных участках.

Сущность технического решения заключается также в том, что впервые выявлены биотехнические закономерности динамики в реальном режиме времени по суткам два основных показателя (как и в прототипе, период наполнения мерного сосуда и объемный расход родниковой воды), но применительно не к роднику в целом, а только к его отдельным водотокам. В итоге предлагаемое научно-техническое решение является пионерным, на основе которого окажется возможным проведение новых технически точных экспериментов с погрешностью измерений менее 5%, позволяющих в ближайшем будущем разрабатывать принципиально новые научно-технические решения.

Положительный эффект достигается тем, что разделение родника на отдельные естественные водотоки (обособленные в пространстве ландшафта выходы подземной воды с разными режимами питания и истечения) позволяет существенно расширить функциональные возможности предлагаемого способа и одновременно значительно повысить точность измерений гидрометрических и гидрологических параметров не только каждого водотока одного родника, но и системы родников на одной местности.

Хотя предлагаемый способ требует большего количества измерений и их повторений, а ее математическая обработка гораздо сложнее и трудоемче по сравнению с расчетами средних арифметических величин, но и в условиях территориальной системы водоснабжения и водоотведения ожидается значительный эффект от мониторинга родников и прогнозирования их дебита.

Новизна технического решения заключается в том, что впервые способ позволяет проводить фундаментальные гидрометрические и гидрологические исследования родников в гидрологической структуре их водотоков. Повышение точности измерений по времени наполнения мерного сосуда секундомером и расчета объемного расхода воды каждым водотоком родника обеспечивается динамичными измерениями в реальном режиме времени, что впервые позволяет выявить биотехнические закономерности с колебаниями.

Предлагаемое техническое решение обладает существенными признаками, новизной и значительным положительным эффектом. Материалов, порочащих новизну технического решения, нами не обнаружено.

На фиг.1 приведена схема в виде диаграммы процесса измерений параметров одного водотока родника в реальном режиме времени с условными обозначениями: τ - текущее время измерений (в сутках или часах) с момента начала первого опыта с не менее 10 повторениями замеров; Т - время (период) наполнения мерного сосуда (ведра или ковша), с; T_И - время (период) проведения измерений в одном опыте с не менее 10 повторами; Δτ - продолжительность (периодичность) между отдельными опытами; I, II, III, … - последовательность опытов (сеансов измерений по не менее 10 повторам наблюдений) в реальном режиме времени (линия между опытами условно показывает график закономерности типа Т=f(τ));

на фиг.2 показано фото нескольких крупных водотоков, которые частично пульсируют и поэтому имеют турбулентный характер истечения родниковой воды;

на фиг.3 показан малый водоток с ламинарным истечением родниковой воды из трубки малого небольшого диаметра;

на фиг.4 дан среднестатистический график динамики времени наполнения (ордината) 10-литрового ведра при 10-кратных повторах (вертикально расположенные точки) крупным водотоком родника в зависимости от реального времени в часах (абсцисса) по общей продолжительности эксперимента в 261 ч (в правом верхнем углу графика: S - дисперсия; r - коэффициент корреляции);

на фиг.5 - график трендовой закономерности по закону экспоненциальной гибели динамики расхода воды крупным водотоком;

на фиг.6 графически показана динамика времени наполнения мерного сосуда в виде литрового ковша малым водотоком этого же родника за продолжительность эксперимента в 76 суток при продолжительности наполнения ковшика не менее чем за 50 секунд;

на фиг.7 дан график объемного расхода родниковой воды из малого водотока;

на фиг.8 показаны остатки (абсолютная погрешность как разница между фактическими и расчетными по модели значениями показателя) после биотехнической закономерности динамики расхода родниковой воды из крупного водотока; на фиг.9 - то же, что на фиг.8, из мелкого водотока.

Способ измерения и анализа динамики объемного расхода водотока родника включает следующие действия.

Каждый независимый выход родниковой воды принимается за отдельный водоток и как независимый объект измерения времени наполнения мерного сосуда секундомером и вычисления объемного расхода делением объема мерного сосуда на время его наполнения в секундах.

Дополнительно измеряют значения текущего времени измерений с момента начала первого опыта до начала последнего опыта в одном эксперименте, продолжительности проведения серии измерений в одном опыте с повторами, а также продолжительности между отдельными опытами по их началам, после проведения всех опытов в одном эксперименте проводят статистическое моделирование и выявляют биотехнические закономерности динамики объемного расхода родниковой воды отдельным водотоком родника.

При использовании в измерениях всех опытов одного эксперимента одного и того же мерного сосуда с постоянной вместимостью за дополнительный показатель динамики поведения сравниваемых водотоков изучаемого родника принимают время наполнения мерного сосуда.

Текущее время измерений с момента начала первого опыта до начала последнего опыта измеряют в часах для выявления закономерностей динамики расхода водотока в зависимости от влияния обращения Земли вокруг самого себя, то есть в течение нескольких суток, при этом измерения проводят в разное время суток при не менее 10 повторах, причем за продолжительность проведения одной серии измерений в одном опыте с повторами принимают не более чем за 10 минут.

Текущее время измерений с момента начала первого опыта до начала последнего опыта одного эксперимента измеряют в сутках для выявления закономерностей динамики расхода водотока в зависимости от влияния обращения Земли вокруг Солнца, при этом измерения проводят за продолжительность проведения серии измерений в одном опыте с повторами измерения не более чем за 30 минут.

Для измерения расхода воды от водотоков разной мощности у одного и того же родника при грубой точности измерений для ориентировочного анализа отдельных водотоков применяют мерные сосуды такой емкости, чтобы они заполнялись не быстрее 5 секунд, что при реакции человека по 0,3 секунды на включение и отключение секундомера погрешность измерений времени наполнения составляет 0,6 секунды, тогда измерения будут проведены с общей погрешностью измерений не более 100×0,6/5=12%.

Для измерения расхода воды от водотоков разной мощности у одного и того же родника при технической точности измерений для научно достоверного анализа отдельных водотоков применяют мерные сосуды такой емкости, чтобы они заполнялись не быстрее 15 секунд, что при реакции человека по 0,3 секунды на включение и отключение секундомера погрешность измерений времени наполнения составляет 0,6 секунды, тогда измерения будут проведены с общей погрешностью измерений не более 100×0,6/15=4%.

Для измерения расхода воды от водотоков разной мощности у одного и того же родника при высокой точности прецизионных измерений для научно высокоадекватного анализа отдельных водотоков применяют мерные сосуды такой емкости, чтобы они заполнялись не быстрее 50 секунд, что при реакции человека по 0,3 секунды на включение и отключение секундомера погрешность измерений времени наполнения составляет 0,6 секунды, тода измерения будут проведены с общей погрешностью измерений не более 100×0,6/50=1,2%.

Для повышения адекватности выявляемых биотехнических закономерностей при каждом опыте как сеансе измерений выполняют не менее 10 повторений, при этом среднее арифметическое значение времени наполнения не вычисляют, а все повторения измерений секундомером времени наполнения мерного сосуда и повторения расчетных значений объемного расхода отдельного водотока родника помещают в программную среду, например, типа CurveExpert для статистического моделирования идентификацией устойчивыми законами и волновыми закономерностями.

Для повышения точности идентификации биотехнических закономерностей поведения отдельного водотока родника по результатам измерений времени наполнения мерного сосуда и расчетных по ней значений объемного расхода родниковой воды в реальном режиме времени по суткам, измерения выполняют в одно и то же время суток, например в 17 часов по местному времени.

Для выявления сезонного изменения значений времени наполнения мерного сосуда и объемного расхода водотока родника в одном эксперименте режим повторных опытов с требуемыми повторениями измерений принимают с периодичностью не менее один раз в месяц, при этом для выявления волновых закономерностей колебательного возмущения отдельного водотока родника, общую продолжительность эксперимента принимают не менее двух лет.

Измеренные значения времени наполнения мерного сосуда идентифицируют в виде биотехнической закономерности по формуле

T=T₁+T₂,

, T₂=Aexp(πτ/p-a₈), , p=a₆+a₇τ,

где Т - время наполнения мерного сосуда родниковой водой из одного измеряемого водотока, с; T₁ - первая составляющая времени наполнения мерного сосуда, показывающая тенденцию динамики показателя по экспоненциальному закону роста или спада (при отрицательном знаке перед параметром модели a₁), с; T₀ - начальное значение времени наполнения при условии τ=0, то есть в начале процесса эксперимента, с; Т₂ - вторая составляющая колебательного возмущения времени наполнения мерного сосуда родниковой водой из водотока родника, с; А - амплитуда (половина) колебательного возмущения, с; р - период (половина) колебания, сутки; а₁...а₈ - параметры статистической модели, получаемые ее идентификацией по измеренным данным в программной среде CurveExpert.

Расчетные значения расхода отдельного водотока изучаемого родника идентифицируют в виде биотехнической закономерности по формуле

T=T₁+T₂,

, T₂=Aexp(πτ/p-a₈), , p=a₆+a₇τ,

где q - объемный расход родниковой водой из одного измеряемого водотока в данный момент измерения, л/с или мл/с; q₁ - первая составляющая объемного расхода водотока родника, показывающая постоянную тенденцию динамики показателя, л/с или мл/с; q₀ - начальное значение объемного расхода водотока при условии τ=0, то есть в начале процесса эксперимента, л/с или мл/с; q₂ - вторая составляющая колебательного возмущения объемного расхода воды из водотока родника, л/с или мл/с; А - амплитуда (половина) колебательного возмущения, л/с или мл/с; p - период (половина) колебания, сутки; a₁…a₅ - параметры статистической модели, получаемые идентификацией по измеренным данным в программной среде CurveExpert.

Для анализа динамики общего дебита родника вычисляют суммированием объемных расходов всех водотоков родника по результатам расчетов в программной среде Excel по выявленным биотехническим закономерностям объемного расхода воды всех водотоков родника.

Для прогнозирования общего дебита родника на период прогноза, не больший или равный продолжительности эксперимента, вычисления проводят по биотехническим закономерностям объемных расходов у каждого отдельного водотока.

Способ измерения и анализа динамики объемного расхода водотока родника, например, с захватом воды из нисходящего родника через отверстия в стене каптажной камеры реализуется следующим образом.

Вначале выбирают участок для измерения дебита родника с несколькими выходами родниковой воды, расположенными независимо друг от друга.

Для этого, как правило, вполне подходят облагороженные родники с каптажными камерами. Предлагаемое изобретение пока применимо только на тех родниках, которые имеют боковые выходы из подземных вод и каждый водоток виден на стене каптажной камеры.

Затем поисковыми измерениями выбирают мерные сосуды такой емкости, чтобы они наполнялись отдельным водотоком не быстрее 5 секунд, измерение времени наполнения мерного сосуда выполняют секундомером, а вычисление объемного расхода проводят делением объема мерного сосуда на время его наполнения в секундах.

Каждый независимый выход родниковой воды принимается за отдельный водоток и как независимый объект измерения времени наполнения мерного сосуда секундомером и вычисления объемного расхода делением объема мерного сосуда на время его наполнения в секундах.

Дополнительно измеряют значения текущего времени измерений с момента начала первого опыта до начала последнего опыта в одном эксперименте, продолжительности проведения серии измерений в одном опыте с повторами, а также продолжительности между отдельными опытами по их началам, после проведения всех опытов в одном эксперименте проводят статистическое моделирование и выявляют биотехнические закономерности динамики объемного расхода родниковой воды отдельным водотоком родника.

При использовании в измерениях всех опытов одного эксперимента одного и того же мерного сосуда с постоянной вместимостью за дополнительный показатель динамики поведения сравниваемых водотоков изучаемого родника принимают время наполнения мерного сосуда.

Текущее время измерений с момента начала первого опыта до начала последнего опыта измеряют в часах для выявления закономерностей динамики расхода водотока в зависимости от влияния обращения Земли вокруг самого себя, то есть в течение нескольких суток, при этом измерения проводят в разное время суток при не менее 10 повторах, причем за продолжительность проведения одной серии измерений в одном опыте с повторами принимают не более чем за 10 минут.

Текущее время измерений с момента начала первого опыта до начала последнего опыта одного эксперимента измеряют в сутках для выявления закономерностей динамики расхода водотока в зависимости от влияния обращения Земли вокруг Солнца, при этом измерения проводят за продолжительность проведения серии измерений в одном опыте с повторами измерения не более чем за 30 минут.

Для измерения расхода воды от водотоков разной мощности у одного и того же родника при грубой точности измерений для ориентировочного анализа отдельных водотоков применяют мерные сосуды такой емкости, чтобы они заполнялись не быстрее 5 секунд, что при реакции человека по 0,3 секунды на включение и отключение секундомера погрешность измерений времени наполнения составляет 0,6 секунды, тогда измерения будут проведены с общей погрешностью измерений не более 100×0,6/5=12%.

Для измерения расхода воды от водотоков разной мощности у одного и того же родника при технической точности измерений для научно достоверного анализа отдельных водотоков применяют мерные сосуды такой емкости, чтобы они заполнялись не быстрее 15 секунд, что при реакции человека по 0,3 секунды на включение и отключение секундомера погрешность измерений времени наполнения составляет 0,6 секунды, тогда измерения будут проведены с общей погрешностью измерений не более 100×0,6/15=4%.

Для измерения расхода воды от водотоков разной мощности у одного и того же родника при высокой точности прецизионных измерений для научно высокоадекватного анализа отдельных водотоков применяют мерные сосуды такой емкости, чтобы они заполнялись не быстрее 50 секунд, что при реакции человека по 0,3 секунды на включение и отключение секундомера погрешность измерений времени наполнения составляет 0,6 секунды, тогда измерения будут проведены с общей погрешностью измерений не более 100×0,6/50=1,2%.

Для повышения адекватности выявляемых биотехнических закономерностей при каждом опыте как сеансе измерений выполняют не менее 10 повторений, при этом среднее арифметическое значение времени наполнения не вычисляют, а все повторения измерений секундомером времени наполнения мерного сосуда и повторения расчетных значений объемного расхода отдельного водотока родника помещают в программную среду, например типа CurveExpert, для статистического моделирования идентификацией устойчивыми законами и волновыми закономерностями.

Для повышения точности идентификации биотехнических закономерностей поведения отдельного водотока родника по результатам измерений времени наполнения мерного сосуда и расчетных по ней значений объемного расхода родниковой воды в реальном режиме времени по суткам измерения выполняют в одно и то же время суток, например, в 17 часов по местному времени.

Для выявления сезонного изменения значений времени наполнения мерного сосуда и объемного расхода водотока родника в одном эксперименте режим повторных опытов с требуемыми повторениями измерений принимают с периодичностью не менее один раз в месяц, при этом для выявления волновых закономерностей колебательного возмущения отдельного водотока родника общую продолжительность эксперимента принимают не менее двух лет.

Измеренные значения времени наполнения мерного сосуда идентифицируют в виде биотехнической закономерности по формуле:

Т=Т₁+Т₂,

, T₂=Aexp(πτ/p-a₈), , p=a₆+a₇τ,

где T - время наполнения мерного сосуда родниковой водой из одного измеряемого водотока, с; T₁ - первая составляющая времени наполнения мерного сосуда, показывающая тенденцию динамики показателя по экспоненциальному закону роста или спада (при отрицательном знаке перед параметром модели a₁), с; Т₀ - начальное значение времени наполнения при условии τ=0, то есть в начале процесса эксперимента, с; T₂ - вторая составляющая колебательного возмущения времени наполнения мерного сосуда родниковой водой из водотока родника, с; А - амплитуда (половина) колебательного возмущения, с; p - период (половина) колебания, сутки; а₁…а₈ - параметры статистической модели, получаемые ее идентификацией по измеренным данным в программной среде CurveExpert.

Расчетные значения расхода отдельного водотока изучаемого родника идентифицируют в виде биотехнической закономерности по формуле

q=q₁+q₂,

q₁=q₀, q₂=Aexp(πτ/p-a₅), A=a₁exp(-a₂τ), p=a₃-a₄τ,

где q - объемный расход родниковой водой из одного измеряемого водотока в данный момент измерения, л/с или мл/с; q₁ - первая составляющая объемного расхода водотока родника, показывающая постоянную тенденцию динамики показателя, л/с или мл/с; q₀ - начальное значение объемного расхода водотока при условии τ=0, то есть в начале процесса эксперимента, л/с или мл/с; q₂ - вторая составляющая колебательного возмущения объемного расхода воды из водотока родника, л/с или мл/с; А - амплитуда (половина) колебательного возмущения, л/с или мл/с; p - период (половина) колебания, сутки; a₁…a₅ - параметры статистической модели, получаемые идентификацией по измеренным данным в программной среде CurveExpert.

Для анализа динамики общего дебита родника вычисляют суммированием объемных расходов всех водотоков родника по результатам расчетов в программной среде Excel по выявленным биотехническим закономерностям объемного расхода воды всех водотоков родника.

Для прогнозирования общего дебита родника на период прогноза, не больший или равный продолжительности эксперимента, вычисления проводят по биотехническим закономерностям объемных расходов у каждого отдельного водотока.

Пример. Эксперименты 2010-2012 годов проводились на нескольких водотоках (выходах) родника «Хрустальная ель», который находится в Куженерском районе Республики Марий Эл. Родник находится в долине реки Немда, под Якайсуртом в овраге. Его кристально чистая вода по душе многим жителям. Ключ бьет из-под корней ели и образует несколько ручейков.

Сам родник представляет собой относительно небольшой ключ, который под напором подземной воды выходит из земли в специальном углублении. Вместе с подземными выходами образуется система водотоков в роднике, которые собираются в деревянном лотке и вытекают из стены каптажного сооружения несколькими крупными, средними и мелкими струями.

Методика измерений. Диаграмма режима проведения эксперимента с несколькими опытами с повторами в них наблюдений (измерений) в реальном режиме времени показана на фиг.1.

Для изучения расхода воды крупным водотоком (фиг.2) родника требуется 10-литровое ведро и секундомер. Эксперимент проводился на крупном водотоке родника «Хрустальная Ель» летом 2011 года. Замерив секундомером время наполнения ведра, можем рассчитать количество истекающей из одного выхода родника воды за единицу времени. Деля 10 литров на время наполнения получаем расход воды из водотока.

Поэтому методика измерений очень простая.

Обоснование повторности измерений. На крупном водотоке наполняли ведро до отметки в 10 литров и записывали время наполнения в секундах. Так провели 10 опытов по 10 повторов. Для оценки достоверности эксперимента рассчитали коэффициент вариации по известным формулам и получили коэффициент вариации по двум опытам, равный соответственно 13,0 и 9,4%, что свидетельствует об однородности совокупности повторов.

Далее предварительный эксперимент продолжили до 100 наблюдений, чтобы выявить биотехнические закономерности времени и расхода одного крупного водотока родника «Хрустальная ель».

Результаты предварительного эксперимента. В таблице 1 представлены значения времени наполнения 10-литрового ведра и объемного расхода воды крупного водотока, полученные с 14 июля по 25 июля 2011 года.

Объемный расход q родниковой воды водотоком любой крупности вычисляется по формуле

где Q - объем мерного сосуда, л,

Т - время (период) наполнения мерного сосуда, с.

Для оценки точности результатов необходимо провести расчет показателей колебаемости признака (табл.3).

Результаты основного эксперимента. Летом 2012 года нами проведен мониторинг расхода воды на малом водотоке в роднике «Хрустальная Ель».

Методика в основном та же, что и для предыдущего предварительного эксперимента. Отличие заключается только в том, что мерный сосуд был принят в виде ковша емкостью в один литр.

Все измерения проводились вечером с 17-00 часов. Поэтому текущее время τ берется целыми сутками. Расход малого водотока q взяли в размерности мл/с, т.к. в размерности л/с значения объемного расхода были значимыми для крупного водотока и были слишком малыми по числам для мелкого по расходу водотока родника. Для моделирования на компьютере в программной среде CurveExpert соотношения между числами на осях абсцисс и ординат должны быть соразмерными.

В таблице 2 приведен фрагмент из журнала измерений.

Из данных по таблицы 2 заметно, что значения расхода малого водотока из-за значительного времени эксперимента в 76 суток, по сравнению с продолжительностью предварительных 10 опытов в течение почти 11 суток по сеансам измерений через промежутки Δτ в часах, имеют большой разброс. При этом продолжительность измерений в 76 суток была достаточной, чтобы выявлять дополнительно к тренду волновые закономерности.

Сравнение водотоков родника по описательной статистике. Для доказательства высокого разброса наблюдений проведен расчет показателей вариации дл обоих множеств измерений по данным таблиц 1 и 2. При этом по отдельным 10 повторам измерений среднее арифметическое значение не вычислялось, и все результаты измерений помещались в программную среду.

Для сравнения двух экспериментов, один из которых проведен с 14.07.11 по 25.07.11 в течение около 11 суток, а второй - с 23.07.12 по 7.10.12 в течение 76 суток, были рассмотрены показатели вариации крупного и малого водотоков изучаемого родника (табл.3).

Таблица 3 Сравнение статистических параметров расхода воды двух водотоков Статистические показатели Результат расчета большого водотока Результат расчета малого водотока Количество наблюдений 100 130 Размах R 2,72 л/с 10 мл/с Минимум xmin 2,00 л/с 9,2 мл/с Максимум xmax 4,72 л/с 19,2 мл/с Среднее арифметическое 2,91 л/с 12,60 мл/с Ср.линейное отклонение 0,0029 0,000154 Ср. квадрат, отклонение σ 8,70 5,631 Коэффициент вариации Vσ, % 299,28 44,68 Ср. ошибка выборки mσ 0,87 0,49 Показатель точности Р, % 29,93 3,92

Размах расхода воды в малом водотоке в 2,72х1000/10=272 раза меньше по сравнению с крупным водотоком. При этом среднее арифметическое уменьшилось в 2,91×1000/12,60=231 раз.

В крупном водотоке показатель изменчивости (или коэффициент вариация) получился 299,28, а в малом водотоке - всего 44,68. На малом водотоке в 6,7 раз уменьшился коэффициент вариации (показатель изменчивости) по сравнению с крупным водотоком. Этот факт доказывает, что малые водотоки родника дают гораздо меньший разброс измерений по сравнению с крупными водотоками.

Погрешность или показатель точности на малом водотоке уменьшился в 29,93/3,92=7,64 раза. При этом показатель 3,92% у малого водотока стал намного меньше допустимого уровня 5% в технических экспериментах. А на крупном водотоке погрешность больше по сравнению с требуемым качеством технического эксперимента почти в шесть раз.

Отсюда следует, что эксперимент на крупном водотоке имеет очень высокую погрешность из-за турбулентности водотока и значительного разброса значений расхода родниковой воды. Поэтому в дальнейших исследованиях необходимо продолжить наблюдения на малом водотоке.

Выявление закономерности времени наполнения крупного водотока. Динамика - это изменение во времени. Для каждого водотока родника динамическими показателями являются время (период) наполнения мерного сосуда и объемный расход водотока, вычисляемый как отношение постоянного объема мерного сосуда к времени (периоду) его наполнения.

Статистические данные были обработаны с помощью программы Curve Expert Version 1.4 и для крупного водотока родника «Хрустальная ель» получена модель вида (фиг.4):

Первая составляющая является законом экспоненциального роста и показывает тренд времени наполнения мерного сосуда родниковой водой.

Вторая составляющая показывает кризис (отрицательный знак перед составляющей) по биотехническому закону.

Из графика на фиг.4 видно, что при превышении времени измерений 261 час следует ожидать динамичность по волновому возмущению времени наполнения воды.

Но при этом заметно, что коэффициент корреляции 0,280 относится к слабым факторным связям, поэтому в дальнейших экспериментах нужно повышать точность измерения времени наполнения для крупных водотоков.

Выявление закономерностей расхода крупного водотока. На фиг.5 показан график статистической модели отношения постоянного объема воды в ведре 10 л на время наполнения, что будет показателем объемного расхода крупного водотока изучаемого родника.

График подчиняется экспоненциальному закону гибели, который наиболее характерен для расхода воды. Чем меньше время заполнения, тем больше расход родниковой воды. Поэтому в дальнейших экспериментах будет выгодным измерение расхода воды на малом водотоке.

Коэффициент корреляции равен 0,9993 - это свидетельствует о сильнейшей факторной связи по формуле

Другие опыты показали, что в общем виде формула (3) применима для других водотоков, например отдельных водотоков реки. Аналогичные закономерности были получены и по другим примерам из гидрологии.

На фиг.8 приведены точки на графике абсолютной погрешности формулы (3), которая для простоты называется остатком (абсолютная погрешность выявленной биотехнической закономерности). Как видно из распределения точек, график имеет волновую закономерность. Однако такую закономерность в общем виде можно искать только после проведения более точного эксперимента на малом водотоке родника. Для крупных водотоков образуются частные формулы из конструкции общей закономерности.

По остаткам (фиг.8) от модели (3) видим, что волновая закономерность будет высоко адекватной.

Из фиг.2 видно, что каждый крупный водоток пульсирует, то есть в малый промежуток времени расход воды изменяется по волновой закономерности. Поэтому, чтобы доказать волновой характер изменения расхода воды, необходимо добиться ламинарного потока на малом водотоке.

Особенности измерений малого водотока родника. Измерения большого водотока получились не точными с высоким коэффициентом вариации. Большой водоток требует быструю реакцию или автоматическую регистрацию времени наполнения мерного сосуда. Не соблюдая такие условия, может возникнуть большая погрешность при измерении крупного водотока.

Поэтому летом 2012 года брали замеры с малого водотока (фиг.6 и фиг.7). Расход в нем слишком мал, поэтому за мерное устройство приняли ковш объемом в один литр. Для наполнения времени требуется больше, а значит при ручной фиксации времени секундомером результаты измерений должны быть также точнее, то есть с малой относительной погрешностью.

Выявление закономерностей времени наполнения малого водотока. Для статистического моделирования важно получить такие параметры волны, как амплитуда и период колебания. Поэтому исходную статистическую модель, еще до проведения идентификации, по фактическим данным измерений, желательно записать в общем виде с учетом указанных параметров колебания.

По точкам в окне программной среды сразу же видно, что изменение времени наполнения Т в зависимости от текущего времени τ (фиг.6) с начала эксперимента происходит волнообразно. В таком случае вначале нужно определить тренд (тенденцию) в виде детерминированной статистической модели по конструкции устойчивых законов.

После структурно-параметрической идентификации получена формула

T₁=53,77198ехр(0.19471τ^0,27262),

T₂=Acos(piτ/p-2,84614),

A=-7,21291ехр(0,0015563τ^1,10009),

р=9,38722+0,35084τ,

где А - амплитуда (половина) колебательного возмущения, с.

p - период (половина) колебания, сутки.

Первая составляющая стала законом экспоненциального роста. Вторая составляющая осталась кризисной (отрицательный знак перед второй составляющей по амплитуде). Частота колебания уменьшается, то есть процесс динамики времени наполнения ковшика малым водотоком родника успокаивается. Готовая модель (4) образует две составляющие, которые характеризуют волновое возмущение потока воды родником. При этом первая составляющая является известным законом экспоненциального роста при интенсивности роста 0,27262, а вторая - волновое возмущение с переменными амплитудой и частотой колебания.

Выявление закономерностей расхода воды малым водотоком. По приведенной выше методике моделирования была приведена идентификация закономерностей по экспериментальным данным расхода малого водотока.

Кратко эта методика содержит следующие процедуры:

1) выявление постоянного члена, то есть тренда в виде среднего арифметического значения показателя;

2) по остаткам от постоянного члена, последовательно усложняя конструкцию модели, идентифицируем волновую функцию;

3) затем совмещаем постоянный член с волновой функцией;

4) усложняем конструкцию тренда (постоянного члена), доводя конструкцию первой составляющей до устойчивого не волнового закона.

На основе этой методики была получена (фиг.7) модель

q₁=9,76040,

q₂=Aexp(πτ/p-0,089614),

A=5,03697ехр(-0,025139τ),

р=181,60792-1,62653τ,

Оказалось, что первый член формулы является постоянным, и он показывает среднегодовой расход родниковой воды отдельным выходом родника. Это видно из того, что начальный период при условии равен 2×181,60792=363Б21584≈365 суток.

Коэффициент корреляции модели (фиг.7) равен 0,9241, что указывает на сильнейшую факторную связь между текущим временем эксперимента τ и объемным расходом воды q в отдельном водотоке родника. При этом динамика расхода водотока также состоит из двух составляющих: постоянный член и волновое возмущение.

С течением времени эксперимента доверительный интервал у 10 повторений в одном сеансе измерений значимо снижается. Это видно по снижения доверительного интервала разброса точек остатков на фиг.9. На снижение такого разброса значений расхода воды влияют два основных внешних фактора: во-первых, по мере приближения осени колебание водотока стабилизируется (дата 27 июля начала эксперимента с малым водотоком почти относится к летней межени поверхностных водотоков, то есть рек); во-вторых, экспериментатор (Е.И.Тарасова) получила достаточные навыки в измерениях малого водотока.

Как видно из графика на фиг.7, минимум объемного расхода воды малым водотоком наблюдается при интервале τ=64…69 суток, то есть по датам в период 30.09-04.10.2012, затем расход воды начинает возрастать из-за осенних дождей. Тогда получается, что осадки относительно быстро влияют на динамику объемного расхода воды одним малым водотоком родника.

Сравнение водотоков родника по показателям. Для сравнения принимаются два графика расхода родниковой воды крупным (фиг.5) и малым (фиг.7) водотоками одного и того же родника.

Из них видно, что большой водоток имеет только спад расхода. Это произошло из-за малого периода измерений всего около 11 суток. Малый водоток измерялся в течение 76 суток, то есть в семь раз больше по продолжительности. Поэтому график на фиг.7 для малого водотока получился волнообразным.

Короткий период измерений дает высокую адекватность моделирования, коэффициент корреляции крупного водотока равен 0,9993. Из-за высокой чувствительности малого расхода воды и повышенной точности измерений секундомером (в среднем наполнение 3,53 с у большого и 82,44 с у малого водотока) коэффициент корреляции 0,9241.

Но он незначительно уменьшился и обе закономерности остались в группе сильнейших факторных связей. Поэтому уровень адекватности модели расхода воды у малого водотока все равно остался в группе сильнейших факторных связей.

По графикам на фиг.7 и фиг.9 (по остаткам видна возможность идентификации второй волновой закономерности) можно сравнить остатки (абсолютные погрешности) от моделей (6.2) и (6.11).

Максимальная погрешность формулы (3) в 0,88×1000/2,00≈440 раз больше, чем наибольшая абсолютная погрешность формулы (5).

Соответственно, закономерность с волновыми составляющими в сотни раз точнее по сравнению с трендом в виде устойчивого закона.

Выводы. Куженерский район РМЭ находится на части Вятского увала, который из-за возвышения в несколько сотен метров от равнинной местности создает уникальное движение подземных вод на своих склонах. Из-за этого в этих холмистых местах много источников у мелких притоков реки Немда, а также ключей и мелких временных ручьев на дне оврагов.

Расход воды на крупных водотоках нужно проводить за малый промежуток времени измерений для сравнения между собой всех водотоков сложного по гидрологической структуре родника. Такие опыты позволят значительно сократить продолжительность комплексного эксперимента. Одновременно появится практическая возможность более точного, по сравнению с существующими методами оценки дебита родника, расчета общего расхода родниковой воды всеми водотока сложного по гидрологической структуре родника.

Предлагаемый способ обладает простотой проведения измерений по показателю времени (периода) наполнения мерного сосуда и расчета второго показателя - объемного расхода воды крупным и малым водотоками одного и того же родника.

Крупный водоток сильно пульсирует, а малый водоток, как правило, является ламинарным. Кроме того, время наполнения малым водотоком ковшика постоянной емкости, например, в один литр значительное и это позволяет уменьшить погрешности неавтоматизированного измерения секундомером. Поэтому на одном малом водотоке нужно продолжать измерения в течение нескольких месяцев и не менее двух лет.