Моделирование изменчивости гидрологических и гидрохимических характеристик вод северо-западной части Черного Моря

tiz_009_zemlia.gif В естественных условиях биотический круговорот веществ в водных экосистемах сбалансирован таким образом, что в системе водная среда – биота имеет место фазовое равновесие по биогенным веществам:
интенсивность процесса первичного продуцирования органического вещества фитопланктоном, в ходе которого потребляются минеральные соединения азота и фосфора, в конечном счете регулируется скоростью их регенерации при биохимическом окислении метаболических выделений и отмерших остатков гидробионтов (косного органического вещества) гетеротрофными бактериями. Неконтролируемое поступление в водную среду значительного количества биогенных веществ антропогенного происхождения влечет за собой увеличение скорости первичного продуцирования органического вещества, которое не успевает усваиваться организмами более высоких трофических уровней и отмирая создает благоприятную основу для развития гетеротрофных бактерий. В результате, резко сокращается время оборота биогенных веществ в экосистеме, увеличивается потребление кислорода на биохимическое окисление органического вещества при участии бактерий.
       Процесс повышения уровня трофности акватории, т.е. уровня новообразования органического вещества в продукционно-биологическом процессе называется эвтрофикацией. Следствием процесса эвтрофикации на экосистемном уровне являются: изменение химического режима акватории, возникновение дефицита кислорода (гипоксии) либо полное его исчезновение в придонных слоях воды, резкое ухудшение условий обитания для высших гидробионтов, нарушение сбалансированности продукционно-деструкционных процессов, устойчивости, трофической структуры и динамики функционирования экосистемы. 
       Внутри водной экосистемы имеется значимый внутренний источник минеральных соединений биогенных элементов. Таковым является их регенерация в процессе биохимического окисления органического вещества. Поэтому для адекватного описания в модели негативных эффектов эвтрофикации необходимо рассматривать баланс продукционно-деструкционных процессов в экосистеме, т.е. замкнутые биогеохимические циклы основных биогенных элементов, определяющих первичную продукцию органического вещества в исследуемых участках акватории моря или водоемах. 
       Метод решения задачи. На основе термогидродинамической модели MECCA (Model for Estuarine and Coastal Circulation Assessment; Hess, 1989) разработана трехмерная имитационная модель эвтрофикации вод северо-западной части Черного моря (СЗЧМ) [1, 2]. Эта шельфовая морская акватория имеет следующие характерные особенности: наличие эстуарных областей четырех крупнейших черноморских рек – Дуная, Днепра, Южного Буга и Днестра; обилие мелководных заливов и лиманов, сообщающихся с открытым морем через узкие проливы; развитие в весенне-летний период обостренного сезонного пикноклина, обусловленного прогревом поверхностных вод и распреснением их под влиянием речного стока; доминирование ветровой составляющей в формировании циркуляции вод на большей части акватории.
       Характерная особенность термогидродинамической модели - возможность ее использования для расчетов динамики вод и распространения примеси в морских акваториях, отдельные участки которых имеют меньший (подсеточный) размер в одном из горизонтальных направлений, чем шаг расчетной сетки (например, проливы, каналы, устья рек). В основу модели положена полная система уравнений гидротермодинамики в приближении Буссинеска, несжимаемости и гидростатики, включающая уравнения: движения для горизонтальных составляющих вектора скорости течения, гидростатического приближения, неразрывности, состояния, сохранения тепла и солей. Для моделирования течений и переноса субстанций на подсеточных масштабах в каналах или реках, исходная система уравнений интегрировалась поперек потока (т.е. в нормальном к потоку направлении в горизонтальной плоскости). Новая система уравнений, используемая в модели, получена в результате объединения проинтегрированных поперек потока и исходных уравнений таким образом, чтобы при отсутствии канала (трехмерный поток) получалась исходная система уравнений в традиционной форме, а при его наличии – осредненные поперек потока уравнения (двумерный поток). Численная реализация полученной системы уравнений выполнена в криволинейной по вертикали системе координат, с использованием неявных конечно-разностных схем. 
       Метод решения гидродинамической задачи предусматривает расщепление полной скорости течений на среднюю по глубине скорость (баротропная составляющая) и отклонения от нее на каждом расчетном горизонте (бароклинная составляющая). Вертикальная турбулентная вязкость апроксимируется на основе полуэмпирической теории турбулентности как функция устойчивости водной колонки и локального вертикального сдвига скорости течений. Коэффициенты горизонтального турбулентного обмена рассчитываются исходя из значения локального горизонтального сдвига баротропной составляющей скорости течений и пространственного шага горизонтальной конечно-разностной сетки. 
       Модель содержит блоки расчета потока тепла через поверхность моря (на основе метеорологических данных), усвоения гидрометеорологической информации на границах расчетной области и позволяет воспроизводить пространственно-временную изменчивость уровня моря, термохалинной структуры вод, трехмерного поля течений и интенсивности турбулентного обмена на временных отрезках от нескольких суток до годового цикла в акваториях морского шельфа со сложными морфологическими и гидрологическими характеристиками. Модель дополнена блоком переноса неконсервативной примеси, позволяющим описывать одновременное распространение в трехмерном пространстве до 15 неконсервативных элементов, обладающих различными свойствами. 
       Полученные результаты. Отдельные результаты численных эспериментов по адаптации гидротермодинамической модели МЕССА к условиям северо-западной части Черного моря приведены на рис. 1- 3. Модель адекватно описывает образование и разрушение сезонного термоклина, динамику ВКС, распространение трансформированных речных вод, развитие в летний период ветрового прибрежного апвеллинга, пространственно-временную изменчивость термохалинной структуры вод в целом. 
 

Рисунок 1 – Рассчитанная в 1-мерном варианте модели по метеорологическим данным 1983 г внутригодовая изменчивость вертикального распределения температуры воды Т, 0С.
 

Рисунок 2 – Рассчитанные по модели поля солености воды поверхностного слоя,
относящие к датам: 24 мая (а) и 30 июля (б), при метеоусловиях 1983 г.

       Химико-биологический блок модели представляет собой систему взаимообусловленных дифференциальных уравнений, которые описывают биогеохимические циклы биогенных элементов, продукцию и деструкцию органического вещества, динамику кислорода в локальной точке водной среды. Переменными блока являются: фитопланктон, фосфор фосфатов, азот аммония, нитратов, растворенный органический фосфор и азот, взвешенный органический фосфор и азот, детритная и растворенная части биохимического потребления кислорода, которое рассматривается как кислородный эквивалент косного органического вещества, растворенный кислород. Рассчитывается также показатель БПК5. Диаграмма связей между химико-биологическими переменными модели эвтрофикации представлена на рис. 4.
       В модели циклы азота и фосфора на абиотическом уровне рассматриваются раздельно, что позволяет учесть возможные различия в скоростях минерализации органических форм фосфора и азота, а также в соотношении между азотом и фосфором в составе автохтонного и аллохтонного (в том числе, поступающего из антропогенных источников) органического вещества. Удельные скорости химико-биологических процессов представлены в виде функций от характеристик состояния морской среды. Косное органическое вещество, выраженное в единицах азота, фосфора и кислорода, разделено на взвешенную и растворенную части, первая из которых осаждается под действием силы тяжести. 
       Калибровка параметров химико-биологического блока модели выполнялась на основе данных двенадцатилетнего экологического мониторинга Одесского района северо-западной части Черного моря, проводимого Одесским филиалом Института биологии южных морей. Результаты калибровки модели в 1 -мерном (по вертикали) варианте приведены на рис. 5.
На рис. 6 приведены некоторые результаты моделирования изменчивости пространственного распределения фосфатов, аммонийного азота и биомассы фитопланктона в поверхностном слое Днепровско-Бугского и Одесского районов СЗЧМ, полученные с помощью трехмерного варианта модели.

Рисунок 3 – Рассчитанные по модели поля температуры воды поверхностного слоя,
относящие к датам: а) 20 июля; б) 25 июля; в) 9 августа; г) 14 августа, при гидрометусловиях 1983 г.

       Численные эксперименты с моделью показали, что доминирующее влияние на продуктивность вод Одесского района СЗЧМ оказывает речной сток Днепра и Южного Буга. Максимумы биомассы фитопланктона соответствуют району Одесской банки и северной оконечности Тендровской косы. В Одесском районе максимальные биомассы в весенне-летний период отмечались в северной части акватории; визуально прослеживалось повышение концентраций биогенных элементов в фотическом слое у побережья, обусловленное функционированием береговых антропогенных источников загрязнения, расположенных в Одесском мегаполисе. Указанные закономерности подтверждаются данными полевых наблюдений.
 

Рисунок 4 – Структурная диаграмма химико-биологического блока модели эвтрофикации вод
северо-западной части Черного моря
 

Рисунок 5 – Рассчитанный в 1-мерном варианте модели эвтрофикации годовой цикл биомассы фитопланктона (а), гС/м3, концетрации фосфора фосфатов (б), мгP/л, азота аммония (в) и нитратов (г), мгN/л, БПК5 (д), мгО2/л, в поверхностном слое и содержания кислорода (е), мг/л, в придонном слое Одесского района СЗЧМ при гидрометеорологических условиях различных лет. Точками отмечены осредненные по пространству полигона наблюденные значения, полученные в период мониторинга 1988 – 1999 гг. в Одесском районе

       С помощью модели были выполнены оценки относительных вкладов в эвтрофикацию вод акватории Одесского региона СЗЧМ береговых антропогенных источников и речного стока Днепра и Южного Буга. При решении задачи эвтрофикации модельные расчеты проводились в два этапа: с учетом и без учета сбросов биогенных веществ береговыми источниками загрязнения Одесского региона. Затем результаты расчетов сравнивались и в каждой точке расчетной области определялось процентное соотношение между полученными значениями моделируемых веществ, которое характеризует вклад береговых антропогенных источников в наблюдаемые в фотическом слое их концентрации. 
 

Рисунок 6 – Полученное в 3-мерном варианте модели пространственное распределение концентрации фосфатов (а, б), мгР/м3, азота аммония (в, г), мгN/м3, биомассы фитопланктона (д, е), гС/м3, для Днепровско-Бугского района СЗЧМ в конце мая (слева) и начале августа (справа)

 
 
Выводы
       Использование модели позволило установить насколько экологическая ситуация в исследуемой акватории может быть управляемой на региональном уровне. Показано, что путем нормирования сбросов береговых антропогенных источников возможно существенно улучшить экологическую ситуацию лишь в районах основных выпусков сточных вод в пределах двухмильной природоохранной прибрежной зоны; нормирование сбросов биогенных веществ береговыми источниками наиболее эффективно в весенний период; предпочтительно уменьшать сбросы загрязняющих веществ, содержащих фосфор -биогенный элемент, лимитирующий первичную продукцию органического вещества; уровень трофности вод в мористой части акватории формируется под доминирующим влиянием речного стока Днепра и Южного Буга.
 
 
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Тучковенко Ю.С. Трехмерная математическая модель качества вод Днепровско-Бугского приустьевого района северо-западной части Черного моря // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. Севастополь: НАН Украины, МГИ. 2005. Вып. 12. С. 374 - 391.
2. Тучковенко Ю.С. Математическая модель формирования термохалинной структуры и циркуляции вод в лиманах, приустьевых и шельфовых областях северо-западной части Черного моря // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. Севастополь: НАН Украины, МГИ. 2003.. Вып. 9. С. 138-153.

Тучковенко Ю.С., Тучковенко О.А. (Украина, Одесса)
Моделирование изменчивости гидрологических и гидрохимических характеристик вод северо-западной части Черного Моря

Збірник матеріалів ІІ-го Всеукраїнського з’їзду екологів з міжнародною участю
Скачати в форматі pdf:
http://eco.com.ua/sites/eco.com.ua/files/lib1/konf/2vze/zb_m/0052_zb_m_2VZE.pdf

Оцінка: 
0
No votes yet