К вопросу измерений мутности воды оптическими приборами

Общество. Среда. Развитие № 4’2025

На гидрологической сети Росгидромета наблюдения за наносами, на постоянной основе, ведутся уже 88 лет. Сеть гидрологических постов с наблюдениями за наносами развивалась вместе со строительством ирригационных и гидротехнических сооружений, поэтому и ориентирована, прежде всего, на эти отрасли народного хозяйства. По ходу наблюдений разрабатывались методики измерений, обработки материалов, средства измерений и различные методы вычисления расходов взвешенных наносов на реках разного типа. Методики наблюдения за наносами, принятые на постах, разрабатывались в ФГБУ «ГГИ». В них предусмотрены проведения полевых, лабораторных и камеральных работ. Обработка, отобранных проб, предполагает использование гравиметрического метода (весового) в лабораторных условиях. Измерения мутности воды на гидрологической сети проводятся в соответствии с принятой методикой, описанной в Наставлении гидрометеорологическим станциям и постам. Выпуск 6 часть 1, а также в [10]. Принимая во внимание длительность и трудоёмкость методики отбора и обработки проб воды на мутность, сотрудниками ФГБУ «ГГИ» предпринимались попытки использования разных технических средств, для сокращения трудозатрат в этом виде наблюдений [8–48]. Для успешного решения этой задачи необходимо всесторонне исследовать и апробировать средства измерений, которых, на сегодняшний момент, предлагается большое количество. По возможности, выбрать те из них, которые будут соответствовать требованиям гидрологического мониторинга.

Целью данного исследования является выявление границ использования портативных оптических приборов с диапазоном измерения до 1000 NTU/FNU для измерений мутности воды в естественных водотоках.

Методика исследования

В настоящее время существует несколько методов определения мутности воды: гравиметрический, акустический, оптический, лазерный, дистанционный. На гидрологических постах при измерении мутности воды используется метод «ГГИ». Он основан на прямых измерениях, с по- следующей обработкой результатов гравиметрическим методом. Остальные же, вышеперечисленные методы основаны на опосредованных или косвенных измерениях. В США и Европе оптический метод довольно популярен и используется для измерения мутности в естественных водотоках. Мутность определяется двумя сертифицированными оптическими методами: нефелометрическим и турбидиметрическим. В России тоже используются эти методы. Для этого был разработан межгосударственный стандарт [4]. Он устанавливает два количественных метода измерения мутности воды: нефелометрия и турбидиметрия. Эти методы определяют концентрацию взвешенного вещества путем использования явления рассеяния или поглощения света твёрдыми или коллоидными частицами, находящимися во взвешенном состоянии. Нефелометрия применяется для воды с низким уровнем мутности, а турбидиметрия с более высоким [4]. При этом существуют некоторые различия в трактовке мутности воды применительно к оптическим методам [4; 13] и в гидрологическом понимании [9].

Важно отметить использование анализируемых приборов в оценке проб воды различных диапазонов мутности, отдельно для практически осветленной воды и воды водотоков повышенной мутности.

Исследование для малого диапазона мутности воды

Оценка определения мутности разными методами и последующей трактовке полученных результатов проводилась на вышеназванных портативных оптических приборах, в лаборатории наносов ФГБУ «ГГИ» с последующим сравнением с гравиметрическим методом, принятым на сети. Для определения чувствитель- ности оптического и гравиметрического методов использовались пробы дистилли-рованой и водопроводной воды. В табл. 1 помещены показания приборов и результаты измерения гравиметрическим методом проб дистиллированной и водопроводной воды.

Как следует из табл. 1, при измерении мутности водопроводной воды точность нефелометров/турбидиметров выше, чем весового метода. Все приборы показывают наличие малого количества взвесей в водопроводной воде. При обработке гравиметрическим методом проб с малой концентрацией взвешенных веществ значения мутности находятся за пределами точности аналитических весов (точность аналитических весов 0,1 мг). Точность оптических приборов позволяет использовать их в экологии для оценки качества водопроводной, питьевой, бутилированной воды. Вопросы гидрологии и гидротехники лежат в области максимальных значений мутности и, соответственно, расходов взвешенных наносов и количественных оценок твердого стока.

Исследование для большого диапазона мутности воды

В качестве образцов для сравнения двух методов измерений при тестировании использовались суспензии, приготовленные в лаборатории из дистиллированной воды и образцов сухих наносов (навеска в воздушно-сухом состоянии) с размером частиц от 0,001 до 1,0 мм, из разных природных водотоков. Для корректного сравнения результатов измерений все навески наносов должны быть одинаковыми по весу, и соответственно, пробы с одинаковой мутностью (концентрацией взвешенных наносов), что и было осуществлено в лаборатории. При определении веса

Таблица 1

Осредненные измерения значений мутности воды в пробах дистиллированой и водопроводной воды приборами в единицах измерения мутности по формазину (NTU/FNU) и мутность, измеренная гравиметрическим методом, г/л

№ пробы	Показания приборов (среднее из 12 измерений)				Гравиметрический метод Мутность, г/л (среднее из 12 измерений)
	Экостаб NTU/FNU		HANNA, FNU	HACH, NTU/ЕМФ
	250	260
№ 0. (Дистиллированая вода).	0,00	0,00	0,00	0,00	0,0000
№1 (Водопроводная вода).	0,17	0,37	0,19	0,32	0,0000

Среда обитания

наносов использовались лабораторные аналитические весы с точностью до 0,1 мг. В качестве стандарта мутности для нефе-лометров/турбидиметров использовались калибровочные наборы стандартных образцов формазиновой суспензии, которые входят в комплекты к приборам.

Дальнейшая апробация приборов пред- полагалась на реках предгорного и горного типа с крупными взвесями (бассейн реки Кубань) и с большой их концентрацией во время половодья и паводков (выше 1000 г/м3). Исходя из этого, при лабораторном тестировании этот момент учитывался концентрацией взвешенных веществ и их крупностью. Ниже, в таблице 2, помещены вес навески наносов и соответствующая мутность (при объёме воды в кювете 18 мл) разных проб с разным гранулометрическим составом, приготовленные в лаборатории для тестирования.

Таблица 2

Концентрация взвесей в пробах наносов (г/л) для проведения измерений на тестируемых приборах

№ пробы	Вес навески пробы, г	Мутность (концентрация наносов в суспензии), г/л
2	0,1002	5,60
3	0,1010	5,61
4	0,1160	6,44
5	0,0330	1,83

При проведении анализов приготовленных суспензий были неукоснительно соблюдены правила и требования к проведению анализов этими приборами согласно инструкции к каждому из них. В таблице 3 приведён гранулометрический состав проб наносов, используемых для тестирования.

Перед каждой серией измерений оптическими приборами очередной пробы проводилась корректировка настройки оптических портативных приборов по соответствующему стандарту формазиновой суспензии [9]. Если в пробе присутствуют крупные быстро оседающие частицы, то измерения проводились в режиме усреднения (специально предусмотренном в приборах для быстро оседающих взвесей). Таким образом, были проведены измерения по каждой из пяти проб всеми тестируемыми приборами. Во время снятия показаний с приборов измерений каждого образца пробы было произведено больше, чем принято для расчетов (принято по 10– 12 измерений по каждой пробе). По ходу тестирования замечено, что показания приборов по одной и той же пробе с наносами сильно колеблются и не соответствуют заявленным в технических паспортах погрешностям. Поэтому при выборе очень многие результаты показаний приборов выбраковывались, как случайные ошибки. Были оставлены 10–12 значений (повторностей) по каждой пробе. Получились ряды с небольшим количеством членов. Для удобства сравнения результатов гравиметрическим методом было обработано такое же количество измерений по каждой пробе (включая дистиллированную и водопроводную воду).

В таблице 4 представлены осредненные показания приборов по пяти пробам.

В пробе № 2 и № 3 значения концентрации наносов очень близки между сбой (см. табл. 2), но показания приборов при этом отличаются на несколько порядков. По своему гранулометрическому составу эти пробы отличаются друг от друга. В пробе № 2 содержание песчаных фракций со-

Общество. Среда. Развитие № 4’2025

Гранулометрический состав проб наносов, используемых при тестировании приборов: Экостаб ТВ 250,

Экостаб ТВ 260, HANNA HI 98713, HACH 2100QiS

Таблица 3

№ пробы	Содержание частиц размером d мм, в % от массы навески.
	пипетка				фракциометр
	1	2	3	4	5	6	7	8
	<0,001	0,001-0,005	0,005-0,01	0,01-0,05	0,05-0,1	0,1-0,2	0,2-0,5	0,5-1
	глина	мелкий ил	крупный ил	мелкая пыль	крупная пыль	мелкий песок	средний песок	крупный песок
2				8,2	0,4	8,0	27,2	56,2
3	2,0	1,0	23,1	26,1	34,0	13,4	0,3	0,1
4				14,7	1,4	30,8	53,0	0,1
5	2,1	2,8	2,0	47,3	16,6	22,5	6,7

Таблица 4

Показания приборов по пробам с осреднением по 10-12 измерениям при тестировании (NTU/FNU)

Название прибора Номер пробы 1 2 3 4 5 Экостаб ТВ-250, NTU/FNU 0,17 3,1 455 3,7 278 Экостаб ТВ-260, NTU/FNU 0,37 3,2 750 3,7 289 HANNA HI 98713, NTU/FNU 0,19 4,2 950 7,7 304 HACH 2100QiS, NTU/ЕМФ 0,32 3,5 952 3,7 366 Метод «ГГИ», г/л 0,0000 5,50 5,57 6,36 1,78 ставляет более 90%, а в пробе № 3 их около 14% и преобладают более мелкие фракции, которые могут дольше находиться во взвешенном состоянии. Поэтому при взбалтывании и помещении кюветы с пробой № 2 в прибор, пески быстро осаждаются, и показания малы, а при измерении мутности в пробе № 3 с мелкими взвесями прибор показывает значительно более высокую мутность. Такая же закономерность прослеживается и с пробами № 4 и № 5. Чем крупнее наносы и чем большее их количество оседает на дно кюветы, тем больше погрешность измерения мутности воды. В дальнейшем такие ошибки ведут к занижению количественной характеристики твёрдого стока. Измерения по методике «ГГИ» в пробах показало стабильный результат, и значения мутности близки между собой и к исходным значениям по пробам №№ 2–5. По тестируемым приборам относительная погрешность в процентах составила от 90 до 100%, что превышает погрешности измерения мутности [10–2], а по гравиметрическому методу от 0,56 до 2,5%.

Анализ результатов

Основные статистические характеристики рассчитывались по формулам ГОСТ [3]. При измерении мутности в пробах № 2 и № 4. Среднее квадратическое отклонение (СКО) почти по всем пробам не превышала 1,0 (кроме Экостаб 250 в пробе № 4), что говорит о сгруппированности членов ряда вокруг среднего значения и их однородности. По измерениям приборов пробы № 3 и № 5 диапазон изменения СКО больше 1,0: от 1,8 до 77,5. В этом случае ряд не однороден, значения не сгруппированы относительно среднего. Показания тоже сомнительны. В пробе № 3 больший процент мелких фракций и самые высокие показатели мутности, проба имеет довольно интенсивную окраску бурого цвета. Показания приборов при этом приближены к верхней границе измерения приборов – 1000 NTU/FNU.

Среднее квадратическое отклонение среднего арифметического СКОср (оценка среднего) по пробам № 2 и № 4 менее 1 (кроме значения СКОср=1,5 в пробе № 4, прибор Экостаб ТВ-250), что говорит о небольшом разбросе от средней величины ряда. По пробам № 3 и № 5 СКОср варьирует в значительно большем диапазоне от 2,0 до 24,5. Отклонения от среднего значения в этих случаях велики, много «ярких выбросов» или отклонений в ряду от среднего значения, и ряд не однороден, и распределение не нормально.

Однако при расчете коэффициента вариации Cv, выяснилось, что в пробах № 2 и № 5 он колеблется в пределах 10%, что говорит о незначительной степени рассеивания данных. Совокупность считается однородной, если Cv не превышает 33%. В пробе № 3, Cv колеблется от 0,9 до 17%, а в пробе № 4 по Экостаб ЕВ-250 значения коэффициента вариации более 40%, что превышает границу 33%, при которой средняя величина исследуемой характеристики может считаться типичной, надежной характеристикой в статистической совокупности. Значение Cv равное 20,3% (Hach-2100QiS, проба 4) тоже считается средним показателем рассеивания.

Величина относительной погрешности δх% в пределе допускаемой основной погрешности мутности приборов Экостаб ТВ-250, ТВ-260 по пробам № 3 № 4 13,3% и 32,4% соответственно, сильно превышает допустимую погрешность указанную в паспорте приборов. При измерении прибором Hach-2100QiS в пробе № 4 относительная погрешность δх составила 12,2%, что также превышает допустимую погрешность.

В целом рассчитанные статистические характеристики показали, что не все ряды данных измерений однородны и имеют нормальное распределение. По величине абсолютной и относительной погрешности можно сказать, что измерения не всегда удовлетворительны, поскольку погрешности измерений выходят за рамки допустимых и результаты измерений, в сравнении с гравиметрическим (весовым) методом не соответствуют действительности. Стоит отметить тот факт, что перевод единиц измерения мутности оптическими приборами из NTU/FNU в г/м3 очень затруднён. Поэтому для перевода из оптических единиц измерения в весовые (г/л; г/м3) пользуются

Среда обитания

графиками связи измерений по приборам и пробам, обработанным гравиметрическим методом. Однако такие связи не всегда проявляются. Ниже на рисунках 1 и 2 помещены графики связи между мутностью воды оптической в NTU/FNU и мутностью воды весовой, в г/л. При анализе графиков связи (рис. 1) выявлено, что коэффициенты связи изменяются по пробе 2 в пределах 0,18–0,39. По пробе № 4 от 0,21 до 0,67. На основании этих графиков и коэффициентов связи, можно сделать вывод, о том, что надёжной связи между этими значениями мутности нет.

Общество. Среда. Развитие № 4’2025

Рис. 2. Графики связи между оптической мутностью (NTU/FNU) и весовой мутностью (г/л) в пробах № 3 и № 5

NTU/FNU                         Проба №2.

Рис. 1. Графики связи между оптической мутностью (NTU/FNU) и весовой мутностью (г/л) в пробах № 2 и № 4

Связь между мутностью оптической и весовой на рис. 2 по пробам № 3 также ненадёжна. Коэффициент связи по пробе изменяется от 0,033 до 0,15. По пробе № 5 ситуация лучше, амплитуда колебаний значений коэффициента в пределах 0,35–0,68. Это на фоне предыдущих значений сравнительно неплохо. В пробе № 5 самая низкая концентрация взвесей и небольшой процент содержания крупных песчаных фракций, поэтому и связь между оптической и весовой мутностью начинает проявляться. На основании этого можно сделать вывод, что при наличии в пробах воды большой концентрации наносов с диаметром частиц более 0,1 мм приборы измеряют мутность не надёжно.

Измерение мутности воды на естественных водотоках

В качестве примера измерений мутности воды оптическими приборами и сравнение их с гравиметрическим методом могут служить данные измерений полученные в 2024 году Лабораторией гидрометрических приборов ФГБУ «ГГИ». Работа по тестированию и апробированию вышеуказанных приборов была проведена на реках бассейна р. Кубань. Работы проходили в период межени и дождевых паводков с апреля по сентябрь. Амплитуда колебания мутности воды при измерениях была в пределах от 5,0 до 800 г/м3.

Ниже помещены некоторые данные измерений мутности воды по оптическим приборам (NTU/FNU) и весовым методом (г/м3). Отбор проб воды на мутность, при измерении расходов наносов, проводился одновременно и для оптических приборов и для определения мутности гравиметрическим методом. В табл. 5 представлены данные измерений по трём рекам бассейна Кубани: р. Пшеха – ст. Пшехская, р. Малая Лаба – с. Никитино, р. Кубань – г. Кропоткин.

По данным измерений, представленным в табл. 5, можно судить о том, насколько различные показания дают тестируемые приборы по одним и тем же пробам. На рис. 3 помещены графики связи мутности оптической и весовой при мутности в диапазоне от 5 до 100 г/м3. Коэффициенты связи довольно высоки и изменяются в пределах от 0,66 до 0,71 (р. Пшеха – ст. Пшехская) и 0,67–0,78 (р. Малая Лаба – с. Никитино).

На рисунке 4 представлены аналогичные графики связи при мутности в диапазоне от 450 до 800 г/м3.

Во втором случае коэффициенты значительно ниже, их значения колеблются

Рис. 3. Графики связи между измерениями по оптическим приборам и гравиметрическим методом. Р. Пшеха – ст. Пшехская, р. Малая Лаба – с. Никитино. Мутность в диапазоне от 5 до 100 г/м3.

Весна, лето 2024 г.

Рис. 4. Графики связи между измерениями по оптическим приборам и гравиметрическим методом. Р. Пшеха – ст. Пшехская, р. Кубань – г. Кропоткин. Мутность в диапазоне от 450 до 800 г/м3.

Весна, лето 2024 г.

Таблица 5

Измеренные значения мутности воды на некоторых реках бассейна р. Кубани оптическими приборами (NTU/FNU) и гравиметрическим методом (г/м3), 2024 г.

Дата	Мутность оптическая, NTU/FNU				Мутность, г/м3
	Экостаб		HANNA HI 98713	HACH 2100 QiS	Гравиметрический метод
	250	260
р. Пшеха – ст. Пшехская
23.04.2024	42,4	84,4	46,5	50,9	63,6
13.05.2024	572	584	795	823	614
08.06.2024	22,7	25,8	20,6	23,7	40,7
23.06.2024	15,8	21,6	16,8	19,8	34,1
14.07.2024	15,5	26,0	17,9	20,4	19,0
28.08.2024	34,1	64,8	36,2	41,5	48,8
р. Кубань – г. Кропоткин
26.04.2024	120	180	159	161	179
16.05.2024	232	265	290	287	252
07.06.2024	378	462	600	606	547
21.06.2024	582	684	913	956	763
06.07.2024	79,9	136	103	104	122
02.09.2024	35,4	70,0	35,8	40,3	47,3
р. Малая Лаба – с. Никитино
05.05.2024	14,0	15,3	13,0	17,9	39,4
20.05.2024	4,60	4,50	4,00	5,00	10,4
05.06.2024	17,8	24,1	19,4	22,9	48,0
24.06.2024	5,90	6,80	5,60	7,00	13,2
29.08.2024	10,8	10,7	8,30	10,5	6,86

Среда обитания

от 0,48 до 0,65 (р. Пшеха – ст. Пшехская) и от 0,41 до 0,62 (р. Кубань – г. Кропоткин). при малых значениях мутности до 100 г/м3 связь между оптической мутностью и весовой более тесная, но при возрастании в пробах количества наносов с крупностью более 0,1 мм связь становиться не надежной. По измеренным данным сети гидрологических постов, мутность рек бассейна реки Кубань может достигать в периоды половодья и паводков 1000–10000 г/м3, а в редких случаях и до 20000–35000 г/м3. Измерения больших значений оптическими приборами становиться не надежными уже при 500– 600 г/м3. Однако при малых значениях мутности (от 5,0 до 100 г/м3) и при отсутствии в составе наносов частиц крупнее 0,1 мм измерения оптическими приборами дают не плохие результаты.

Общество. Среда. Развитие № 4’2025

Заключение

В результате измерения мутности воды с разной концентрацией и крупностью частиц выявлено, что нефелометры Экостаб ТВ 250, Экостаб ТВ 260, нефелометры/ турбидиметры HANNA HI 98713, HACH 2100QiS дают неустойчивые результаты измерений если: в пробе присутствуют крупные фракции наносов (диаметр частиц более 0,1 мм), есть интенсивное окрашивание воды в тёмные цвета [11], концентрация мутности приближается к границе измерений приборов, заявленной в техническом паспорте.

Во взвешенном состоянии в толще воды вместе с твердыми частицами присутствуют и органические остатки. При измерении апробированными приборами этот нюанс не учитывается, в отличие от методики принятой на сети Росгидромета. Оптические приборы определяют мутность, как прозрачность. Наличие органических остатков в воде эту прозрачность понижает. Значения мутности по приборам, в этом случае, будут высокими, но при взвешивании сухого остатка на фильтре и пересчете в г/л значение мутности будет мало. В этом случае искажение результатов измерений приборам может быть в сторону увеличения расхода наносов. В случае большой прозрачности воды, в пробе, все же, могут содержать- ся частицы песка, которые при оседании на дно кюветы прибор не распознаёт, тогда, как гравиметрический метод покажет наличие взвесей. В этом случае значения мутности (содержания твердых веществ) могут быть значительно занижены. Все протестированные приборы, по рекомендациям их производителей, предназначены для использования в экологических исследованиях. Они созданы для оценки малого количества взвесей в воде, поэтому их чувствительность и точность подходит исключительно для воды с малым содержанием твердых частиц находящихся во взвешенном состоянии [12, с. 623]. При этом анализ измерений показывает, что данные измерений оптическими приборами между собой сравнивать нельзя [12, с. 625]. Все они показывают различные результаты по одним и тем же пробам. В гидрологическом мониторинге важно для обеспечения точности измерений соблюдать единообразие приборов и методик.

В мировой практике используются параллельные измерения мутности воды гравиметрическим и оптическим, акустическим методами. Строятся региональные зависимости весовой мутности и оптической на основе данных измерений на естественных водотоках [1]. При применении оптических средств измерений необходимо опираться на межотраслевой стандарт. Но его, в этом случае, пока нет. Поэтому выбор приборов для решения конкретных задач по применению и возможной адаптации мутномеров опирается на рекомендации производителей. [7; 15]. Применение данных нефелометров/турбидиметров возможно, но в качестве дополнительных средств измерений, а не основных, а также в качестве экспресс-анализа [12; 14]. При увеличении антропогенной нагрузки на водные объекты оптические приборы позволяют быстро измерить мутность [14], хотя такие измерения и нуждаются в коррекции. На реках с устойчивыми связями между уровнями и расходами воды, расходами взвешенных наносов и расходами воды их применение возможно, например, в период межени (малой мутности). При этом нужно учитывать крупность частиц взвешенных наносов в естественных водотоках.