Способ определения средней биомассы и плотности обрастания вертикальной и горизонтальной поверхности в воде, образующей продольное обтекание Советский патент 1993 года по МПК G01N33/18 A01K61/00 

Изобретение относится к технической гидробиологии, а именно к экспериментальным способам определения количественных характеристик обрастания и может быть использовано в исследовательских целях в водоемах, при испытаниях противооб- растающих покрытий, з также при оценке качества воды по индикаторным видам из обрастания.

Цель изобретения - повышение точности определения и сокращения времени измерений при скорости продольного потока не более 0,2 м/с.

Биомасса и плотность обрастания распределены на продольно обтекаемых поверхностях градиентно. Наибольшие биомасса и плотность обрастания наблюдаются во многих случаях вблизи переднего к течению края поверхности и закономерно уменьшаются к заднему краю.

На фиг.1 показано градиентное распределение биомассы обрастания вдоль внутренней стенки трубопроводов забортной воды для труб двух диаметров 0,046 и 0,083 м; на фиг.2 и 3 - градиентное распределение биомассы обрастания соответственно вдоль борта и днища судна, буксира БК-153. На бортах судна градиент биомассы направлен навстречу течению, на днище-в противоположную сторону; на фиг.4 - градиент плотности молоди моллюсков мидии Mytilus edulls на различных сторонах вертикально и горизонтально ориентированных пластин; на фиг.5 - обратное направление градиента

00

00

ся

N3

СО

для личинок (сцифистом) медузы аурелии Aurella aurlta; на фиг.6 - градиент плотности диатомовых водорослей на предметных стеклах, направленный навстречу течению. Фиг.4-6 основаны на оригинальных данных.

Общим является направленный навстречу течению градиент биомассы и плотности обрастания на горизонтальных и вертикальных поверхностях, обтекаемых продольным потоком, что иллюстрируют фиг.1, 2, 4, 6. Такое распределение характерно для видов и групп обрастателей, массово обрастающих верхнюю сторону горизонтальных поверхностей, например для мидий и диатомовых водорослей. Напротив, виды и группы видов, массово обрастающие нижнюю сторону горизонтальных поверхностей, проявляют градиент биомассы и плотности обрастания, совпадающий по направлению с течением, что характерно для днища судна (фиг.З) и распределения сцифистом аурелии на горизонтальных пластиках (фиг.5),

В соответствии с уравнением обрастания (2) биомасса В (плотность D) обрастания являются функцией величины расстояния от передней кромки продольно обтекаемой пластины:

В ki + k2/ Vx D кз + М/ Vx

где ki, k2, кз, k4 - некоторые постоянные данных условий обрастания.

Константы ki и кз - характеризуют вертикальный поток обрастателей, оседающих на поверхность, ka и М - горизонтальный поток обрастателей, транспортируемых течением в пограничный слой воды, заторможенной у продольно обтекаемой поверхности. Градиент биомассы и плотности обрастания, связан с градиентом скорости течения в пограничном слое. Тогда средняя биомасса В (плотность D) обрастания для поверхности длины в направлении обтекания определяется по формуле:

В - -г-1- J (ki + )dx - b-aa40v

- ki + 2k2l

r1/2

Значение биомассы обрастания соответствует среднему для всей поверхности на расстоянии х от переднего края обтеканием

поверхности, равном:

В ki + ki + +2к2Г1/2

Откуда окончательное: х - 0,25

(6)

5 Рассуждая аналогичным образом относительно плотности D обрастания, получим выражение для х, идентичное (6).

Таким образом, средние значения биомассы и плотности обрастания достигаются

10 на расстоянии от переднего края продольно обтекаемой поверхности, равном одной четверти ее длины. Это означает, что средние линии пробных площадок и трансекты должны быть перпендикулярны направлению

15 обтекания и находиться на указанном рас- стоянии от переднего края поверхности.

Результаты регрессионного анализа распределения биомассы и плотности обрастания на продольно обтекаемых поверхно20 стях приведены в таблицах 1-3.

.Эмпирические уравнения распределения биомассы и плотности обрастания на вертикальных поверхностях, в трубопроводах, а также на верхней и нижней сторонах

25 горизонтальных поверхностей для видов, массово обрастающих верхнюю сторону горизонтальных поверхностей,сточностью до констант полностью совпадают с теоретически выведенными уравнениями обрастания

30 (2) и (3). У видов и групп обрастателей, массово обрастающих нижнюю сторону горизонтальных поверхностей, наблюдается противоположное распределение, т.е. оно описывается уравнениями (2) и (3) при усло35 вии, что х - расстояние от заднего края поверхности, что иллюстрируют данные табл. 4 по обрастанию днища судна и обрастанию экспериментальных пластин личинками медузы аурелии.

40 Анализ представленных выше данных наблюдений и экспериментов показывает, что такое положение пробных площадок или трансекты при определении средней биомассы и плотности обрастания поверхности

45 справедливо для вертикальной (табл. 1) и горизонтальной (табл. 3) поверхностей при массовом обрастании ее верхней стороны (табл. 2). Действительно, моллюски мидии - массовые микрообрастатели статистически

50 достоверно (Р 0,01) более интенсивно обрастают верхнюю сторону экспериментальных пластин, чем нижнюю, что справедливо и для массовых микрообрастателей - диатомовых водорослей. При этом как для верх55 ней, так и для нижней стороны горизонтальных поверхностей, обрастае- мых мидиями и диатомовыми водорослями; плотность обрастания, соответствующая средней, находится на расстоянии от пере- днего края поверхности экспериментальных пластин, равном 0,25 ее длины в направлении обтекания, Это следует из теоретически полученных уравнений обрастания (2) и (3) и соответствующих им уравнений регрессии, представленных в табл. 1 и 3.

Для видов и групп обрастателей, массово оседающих на нижнюю сторону горизонтальных пластин, как показывает анализ эмпирических данных (табл. 4), пробные площадки или трансекту необходимо размещать на расстоянии от заднего края поверхности, равном 0,25 ее длины в направлении обтекания. Именно в этом случае сохраняется общий вид зависимости биомассы и плотности обрастания от расстояния от края поверхности, определяемый уравнениями (2) и (3), причем положение пробных площадок или трансек- ты определяется универсальным соотношением (6), как и во всех других случаях. При этом как на верхней, так и на нижней сторонах горизонтальных поверхностей, биомасса и плотность обрастания максимальны вблизи заднего края поверхности и закономерно уменьшаются к переднему краю в соответствии с уравнениями (2) и (3),

На практике направление градиента биомассы и плотности обрастания устанавливается относительно просто - по переднему или заднему краевому эффекту обрастания, т.е. резко выраженному повышению биомассы или плотности обрастания на переднем или заднем крае поверхности, по сравнению с соседними участками, что, в зависимости от размеров обрастателей, видно либо невооруженным глазом, либо с помощью оптических приборов, например, микроскопа. Чем уже трансекта или пробная площадка, тем точнее определение средней биомассы и плотности обрастания поверхности, так как средние значения этих количественных показателей обрастания достигаются в точности на линии, отстоящей от переднего края поверхности на 0,25 ее длины.

Размеры обрастателей варьируют очень широко: от единиц микрон для микро- обрастателей, до метра и более в длину для макрообрастателей - водорослей макрофи- тов, например, для ламинарии. Несмотря на крупные размеры ряда водорослей макро- фитов, величина из ризоидов-органов прикрепления к поверхности - обычно не более 10см, причем остальная часть водоросли (ее таллом) находится над поверхностью в толще воды. Такой же порядок величины, т.е. 0,1 м, имеют крупные взрослые животные обрастатели - моллюски, колонии мшанок, гидроидных полипов и губки. Для определения их плотности по численности ширина

пробных площадок (трансект) должна превышать величину их размера в несколько раз, т.е. составлять не менее 10 см. При определении количественных характери- 5 стик обрастания на начальных этапах этого процесса (один-несколько месяцев), когда макрообрастатели еще не успели вырасти и их размеры не превышают нескольких мм; ширина пробных площадок (трансект), в со0 ответствии с вышеприведенными рассуждениями, может составлять порядка 1 см.

Для определения плотности микрооб- растателей, размеры которых находятся в основном в пределах единиц-сотен микрон,

5 ширина пробных площадок (трансект) должна составлять порядка одного-нескольких мм, если исходить из размеров организмов- обрастателей. Для удобства подсчета численности микрообрастателей их количество

0 в поле зрения микроскопа не должно превышать нескольких десятков.

Сказанное относительно оценки плотности полностью справедливо и в отношении биомассы обрастания. Приведенные

5 соображения показывают, что размеры пробных площадок (трансект) связаны с размерами самой поверхности. Ограничения снизу на величину пробных площадок (трансект) определяются размерами массо0 вых видов макро- и микрообрастателей, и ставят предел скорости и точности определения средней биомассы и плотности обрастания поверхности.

Ограничения сверху при обеспечении

5 репрезентативности выборки определяются соотношением общей площади пробных площадок (трансект) с площадью обрастае- мой поверхности. Действительно, ввиду статистических отклонений в биомассе

0 (плотности) биообрастания от значений, даваемых формулами (2) и (3), или ввиду низкой плотности обрастания поверхности, использование пробных площадок и трансект малой площади может исказить средние

5 величины биомассы (плотности) обраста- ния. Выделение слишком больших по площади пробных площадок (трансект) приведет к снижению точности и скорости определения количественных характери0 стик обрастания.

Эксперимент показывает, что средняя биомасса и плотность обрастания поверхности достигается в пределах области, гра- 5 ницы которой находятся на расстоянии от переднего (заднего) края поверхности, равном 0,15-0,35 ее длины в направлении обтекания. Именно при этом условии середина указанной зоны будет находиться на рассто- янии 0,25 длины поверхности от ее переднего (заднего) края в соответствии с соотношением (6).

В пределах указанной области биомасса и плотность обрастания, как и на всей поверхности, изменяются нелинейно. Одна- ко ширина этой области сравнительно невелика и поэтому указанной нелинейностью можно пренебречь. Таким образом, средняя биомасса и плотность обрастания на пробных площадках и трансекте, выбранных в пределах указанной области, соответствуют средней биомассе и плотности обрастания поверхности.

Количество пробных площадок определяется требуемой точностью измерения средней биомассы и плотности обрастания. На одной поверхности может быть выделено от 3-5 до 20-30 таких площадок, равномерно или случайно распределенных в пределах указанной области.

Среднюю плотность и биомассу обрастания поверхности определяют на трансекте в двух случаях: когда биомасса (плотность) обрастания невелика или когда ширина поверхности не очень большая. В противных случаях целесообразнее использовать пробные площадки.

Уравнения обрастания (2) и (3) справедливы при скоростях течения, не превышающих 0,2 м/с. Градиентное распределение макрообрастания вдоль внутренней стенки трубопровода забортной воды, описываемое уравнением (2), наблюдается при скорости течения 0,5 м/с биомасса обрастания не описывается уравнением (2), справедливым при скорости течения в трубопроводе 0,15 м/с, так как в первом случае коэффициент корреляции (-0,18) крайне мал. При скорости течения 0,5 м/с и выше микрообрастание резко тормозится либо вообще прекращается, а биомасса и плотность обрастания на погруженных в воду телах резко снижается при скоростях течения выше 0,3- 0,5 м/с. Соответствие распределения обрастания вдоль подводной части корпуса буксира, находящегося на плаву (табл. 1, 4), уравнениям (2) и (3) объясняется, во-первых, тем, что обрастание судов происходит в ос- новном на стоянках. Во-вторых, относительно низкая скорость движения буксира не приводит к изменению распределения обрастания вдоль корпуса в результате отрыва части обрастания при высокой скорости хода судна, особенно на участке форштевня и носа.

Способ осуществляют следующим образом. На поверхности, обросшей при обте- кании ее продольным потоком воды, приносящим расселительные стадии обра- стателей, а также пищу и кислород для их

развития на поверхности, находят наиболее обросшую сторону, если поверхность экспонировалась в водоеме в горизонтальной плоскости. Для вертикально ориентированной поверхности выбирают любую из сторон, так как они обрастают в равной степени. Для вертикальной и горизонтальной поверхностей в случае массового обрастания верхней стороны последней на поверхности выделяют область, границы которой находятся на расстоянии от переднего к течению края, равном 0,15-0,35 длины поверхности в направлении обтекания. При массовом обрастании нижней стороны горизонтальной поверхности границы указанной области располагают на таком же расстоянии от ее заднего края.

В пределах выделенной области выбирают несколько пробных площадок равного размера или одну трансекту (в соответствии с изложенными выше рекомендациями), симметрично расположенные относительно средней линии этой области. Пробные площадки располагаются в случайном порядке или равномерно вдоль ее средней линии. В зависимости от протяженности выделенной области количество пробных площадок на ней составляет от 3 до 30 шт.

Определяют площадь пробной площадки или трансекты.

На пробных площадках (трансекте) определяют вес или численность обрастате- лей.

Вычисляют среднюю биомассу (плотность) обрастания пробной площадки или трансекты, которые принимают за средние биомассу и плотность обрастания поверхности.

Примеры конкретного выполнения способа приведены ниже.

Примеры. С11 августа по 7 октября 1988 г. в проливе Сухая салма губы Чупа Кандалакшского залива Белого моря на глубине 1 м на гидрофлюгере - устройстве для экспонирования пластин обрастания провели испытания способа определения средней плотности обрастания. Средняя скорость течения в месте проведения испытаний составляла 0,04 м/с, максимально зарегистрированная - 0,27 м/с.

Экспериментальные пластины размером 0,1 х 5 х 7 см, изготовленные из полистирола и имеющие микрорельеф для лучшего обрастания, в количестве 5 штук помещали на гидрофлюгер в вертикальной и горизонтальной плоскости параллельно направлению течения. Массовыми макрооб растателями в период проведения экспериментов были моллюски - мидия съедобная (Mytllus edulls), личинки которых более интенсивно оседали на верхнюю сторону горизонтальных пластин.

По окончании экспонирования пластины разбивали на 7 трансект, каждая шириной 1 см, перпендикулярных направлению обтекания, и подсчитывали количество молоди мидии на каждой трансекте. Полученные данные перерассчитывали на 1 см2 и получали значения плотности обрастания на каждой трансекте для всех 5 пластин каждой серии опытов.

Основные результаты испытаний представлены в табл. 5.

Мидии массово обрастали верхнюю сторону горизонтальных пластин, где их средняя плотность более чем в 3,5 раза превышала среднюю плотность на нижней стороне (Р 0,01). Обрастание правой и левой стороны вертикальных пластин достоверно не различалось (Р 0,05).

Согласно предлагаемому способу, средняя плотность мидий на пластине достигается в пределах области, границы которой находятся на расстоянии от переднего края ее поверхности, равном 0,15-0,35 длины пластины в направлении обтекания, что для пластины длиной 7 см составляет 1,05-2,45 см от ее переднего крал. Эта область соответствует положению трансекты 2,

При расстоянии от переднего края, меньшем 0;15 длины пластины, т.е. на трансекте 1, плотность мидиевого обрастания достоверно (Р 0,05) в 1,5-2 раза выше, чем на трансекте 1, где достигается средняя плотность обрастания поверхности. На 3-ей и последующих трансектах, т.е. на расстояниях от переднего края больших, чем 0,35 длины пластины в направлении обтекания, плотность мидий прогрессивно уменьшается в соответствии с уравнением обрастания (3), что отражено на фиг.4 и в табл. 1, 3, При этом плотность обрастания на некоторых из этих трансект достоверно (Р 0,05) в 1,5-2 раза ниже, чем на трансекте 2, положение которой соответствует средней плотности обрастания поверхности.

Средняя плотность обрастания пластины мидиями, определенная по предлагаемому способу, достоверно не отличается (Р 0,05) от фактического значения средней плотности обрастания пластины, рассчитанной с учетом данных по всем 7 трансектам данной сгороны пластины (табл. 5).

Согласно прототипу, среднюю плотность обрастания поверхности считали равной средней плотности обрастания на случайно выбранной трансекте. Анализ данных табл. 5 показывает, что определенная таким способом средняя плотность обрастания пластины может достоверно отличаться от фактической в 2 и более раза (Р 0,05), что зависит от положения трансекты на пластине.

5Данные таблицы 6 показывают, что средняя плотность обрастания поверхности, определенная по предлагаемому способу, соответствует теоретическому значению средней плотности обрастания пластины.

0 Теоретическое значение средней плотности, которое достигается на расстоянии от переднего края 1,75 см, равном 0,26 длины пластины. Высокие коэффициенты корреляции (табл. 1 и табл. 3) между плотностью

5 обрастания мидий и величиной, обратной квадратному корню из расстояния от переднего края пластины, дополнительно свидетельствуют в пользу предлагаемого способа, так как сама его идея основана на

0 уравнениях обрастания (2) и (3). Для точного определения средней плотности обрастания поверхности по прототипу требуется определение средней плотности обрастания на всех 7 трансектах.

5 Технико-экономическая эффективность предлагаемого способа заключается в следующем. В предлагаемом изобретении увеличение скорости определения средней биомассы и плотности обрастания поверх0 ности при заданной точности достигается за счет того, что определение средней биомассы и плотности обрастания проводят в пределах области, площадь которой составляет 1/5 часть площади поверхности, а ширина в

5 направлении обтекания - 0,2 длины поверхности. Для достижения заданной точности определения средней биомассы (плотности) обрастания поверхности в случае прототипа необходимо последовательное определе0 ние биомассы (плотности) обрастания на системе пробных пло.щадок (трансект), в совокупности покрывающих всю площадь поверхности, что не менее чем в 5 раз снижает скорость определения средней

5 биомассы и плотности обрастания поверхности.

Следовательно, скорость определения средней биомассы и плотности обрастания по предлагаемому способу в 5 раз выше, по

0 сравнению с прототипом.

В изобретении увеличение точности определения средней биомассы и плотности обрастания поверхности достигается за счет расположения.трансекты или пробных

S площадок вдоль линии, соответствующей средней биомассе и плотности обрастания продольно обтекаемой поверхности, которая находится на расстоянии от переднего (заднего) края, равном 0,25 длины поверхности в направлении обтекания.

В конкретных случаях использования предлагаемого способа, например, при достаточно большой биомассе или плотности обрастания, точность определения средней биомассы и плотности обрастания поверхности может быть увеличена за счет уменьшения ширины пробных площадок или трансекты в направлении обтекания, так как теоретически точное значение средней биомассы и плотности обрастания поверхности достигается на расстоянии от переднего (заднего) края, равном 0,25 длины поверхности в направлении обтекания.

Как показали испытания предлагаемого способа, он позволяет существенно увеличить точность определения средней биомассы и плотности обрастания поверхности, по отношению к прототипу (2) - в 2 раза.

Применение предлагаемого способа при биотестировании экспериментальных пластин с противообрастающими покрытиями позволит повысить эффективность и скорость отбора противообрастающих составов, так как предполагаемое изобретение позволяет более быстро и точно оценивать основные количественные показатели обрастания - биомассу и плотность. В результате применения предлагаемого способа будут удешевлены испытания и разработка новых противообрастающих покрытий, так как составным моментом их разработки являются стендовые и натурные испытания, обычно проводимые в морях.

Особенно эффективным может оказаться применение предлагаемого способа для крупных объектов (изделий и сооружений), например, для судов и трубопроводов, для которых среднюю биомассу и плотность обрастания до настоящего времени вообще не определяли, ввиду их большой площади и неравномерного обрастания их поверхности. Определение средних показателей обрастания на различных судах и трубопроводах, защищенных от обрастания, позволит проводить натурные и эксплуатационные испытания средств защиты этих объектов от биообрастания с большей скоростью и точностью, что сократит их сроки и трудозатраты и в результате снизит стоимость разработки новых средств защиты от обрастания, в частности противообрастающих покрытий.

Предлагаемый способ может найти применение при биологическом мониторинге природных вод и оценке степени очистки воды, например на очистных сооружениях, так как обладая более высокой точностью и особенно скоростью определения средней

плотности и биомассы обрастания, по сравнению с известными способами, он будет наиболее целесообразен при проведении массовых биологических анализов пластин обрастания, например по биомассе и плотности индикаторных видов, индексу авто- трофности и другим показателям. Формула изобретения Способ определения средней биомассы и плотности обрастания вертикальной или

горизонтальной поверхности в воде, образующей продольное обтекание, предусматривающий выбор поверхности пробных площадок или трансект равного размера, определение их площади, оценку биомассы

и численности обрастателей на каждой из них, расчет и определение искомой.величины, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения, сокращения времени при средней скорости про

дольного обтекания не более 0,2 м/с, пробные площадки или трансекту выбирают внутри области, границы которой находятся на расстояний от переднего края поверхности, равном 0,15-0,35 длины вертикальной

или горизонтальной поверхности в случае

массового обрастания ее верхней стороны,

и равном такому же расстоянию от заднего

края поверхности в случае массового обрастания нижней стороны поверхности.

Таблица

Регрессионные уравнения зависимости биомассы (В) и плотности (D) обрастания от расстояния (х) до переднего края вертикальной обтекаемой поверхности

Использование: определение средней биомассы и плотности обрастания вертикальной или горизонтальной поверхности в воде, образующей продольной обтекание. Сущность: в случае массового обрастания верхней стороны поверхности выбирают пробные площадки или трансекты внутри области, границы которой находятся на расстоянии, равном 0,15-0,35 длины вертикальной или горизонтальной поверхности, и равном такому же расстоянию от заднего края поверхности в случае массового обрастания нижней стороны поверхности. 6 ил., 6 табл, СО с

Таблица2

Регрессионные уравнения зависимости биомассы (В) обрастания внутренней стенки трубопровода забортной воды от расстояния (х)от переднего края обтекаемой поверхности

(длительность обрастания 30 суток)

ТаблицаЗ

Регрессионные уравнения зависимости плотности (D) обрастания горизонтальных пластин от расстояния (х) от переднего края обтекаемой поверхности для видов и групп, массово

обрастающих верхнюю сторону пластин

Таблица 4

Регрессионные уравнения зависимости биомассы (В) и плотности (D) обрастания от расстояния (х) от заднего края обтекаемой поверхности

Таблица 5 Средняя плотность обрастания мидиями вертикальных и горизонтальных пластин

171817852 18

Таблица 6 Средние значения плотности мидий на вертикальных и горизонтальных пластинах

Биомасса обрастания В, г/м2

300 0 трубопровода 0.083 м

250 200 150 100

50 I 2 3 4 5 б . 7 х, м

Длина трубопровода

0 трубопровода 0.046 м

Фиг. I

Биомасса обрастания В, г/м2

1400 11200 1000

800

600

200

Биомасса обрастания В, г/ы2

300

200

100

4 б 8 10 12 х, и рассеяние от заднего края судна

Фиг. 3

борт, судно на плаву

4б 8 10 х, м расстояние от переднего края судна днище, судно на плаву .

днище, судно в доке

L

Плотность

обрастания

экз/см

14

12

10

Плотность Q обрастания экз/скг

20

I l I I

- I I

5 6 7 х, см

1234

Расстояние от переднего края пластины

: .фиг. 4

Расстояние от заднего края пластины

верхняя сторона горизонтальной пластины

нижняя сторона горизонтальной пластины

боковая сторона вертикальной пластины

- I I

5 6 7 х, см

5 х, см

. о

верхняя сторона горизонтальной пластины

1200

800 400 0.8 1.2 1.6 2.0 2.4 х, см Расстояние от переднего края пластины

.Фиг. 6

боковая сторона вертикальной пластины

нижняя сторона горизонтальной пластины