Оценка влияния морфометрических характеристик соединительного канала на водообмен Тилигульского лимана с Черным морем

В настоящее время в результате антропогенной деятельности на водосборном бассейне Тилигульского лимана и климатических изменений, существенно уменьшился боковой поверхностный приток пресных вод в лиман, следствием чего является осолонение и обмеление лимана, увеличение концентрации биогенных веществ и темпов продуцирования органического вещества фитоплактоном и донными макрофитами в мелководных зонах. Последующее отмирание и биохимическое разложение органического вещества водорослей  способствует  развитию  дефицита содержания кислорода в воде, гибели гидробионтов, обеднению биоразнообразия водной флоры и фауны. Складываются  неблагоприятные  условия для рыболовства, рекреации и туризма [1].
В первом приближении, для стабилизации гидроэкологического режима Тилигульского лимана предлагается установить стабильный водообмен с морем через искусственный соединительный канал [2]. Поэтому актуальной представлялась оценка влияния морфометрических характеристик соединительного канала на интенсивность водообмена с морем и проникновения морских вод в лиман. Для решения поставленной задачи использовалась численная трехмерная нестационарная гидротермодинамическая модель MECCA [2], характерная особенность которой заключается в возможности 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 (пример – соединительный канал).
При функционировании соединительного канала направленность и интенсивность водообмена с морем определяются морфологическими характеристиками канала (шириной, глубиной) и инициированными ветром короткопериодными сгонно-нагонными колебаниями уровня моря.
Моделировался наиболее критический для экосистемы лимана отрезок времени года – с начала мая по конец августа, при гидрометеорологических условиях 2010 года. В качестве индикатора проникновения морских вод в лиман рассматривалась примесь нейтральной плавучести, концентрация которой в морской воде принималась равной 100 условным единицам, а в лимане в начальный момент времени – нулю.
Сценарные расчеты проводились для следующих вариантов  морфологических  характеристик канала:

а) глубина соединительного канала (при отметке уровня моря -0,4 мБС)  м, ширина 30 м (современные характеристики); б) при сохранении глубины канала  м, увеличение его ширины d до  50 и 100 м; в)  углубление соединительного канала  до  максимально возможной величины  м,  при  его ширине 30 м и 50 м.
Помимо морфологических характеристик  самого соединительного канала, водообмен с морем и проникновение морских вод в различные части акватории лимана определяются характером сгонно-нагонных колебаний уровня воды в лимане и море, динамикой вод в лимане.
С целью изучения особенностей циркуляции вод в лимане, первоначально, были проведены расчеты ветровых течений при установившихся ветрах различных направлений  скоростью 5 м/с и отсутствии водообмена с морем.  Результаты расчетов свидетельствуют, что пространственная структура осредненных по глубине течений имеет ярко   выраженный   ячеистый   характер  и  состоит  из  множества вихревых образований (циркуляционных ячеек), расположенных вдоль продольной оси лимана. Такой характер циркуляции вод обусловлен особенностями геоморфологического строения лимана - конфигурацией берегов, распределением глубин вдоль лимана. Береговая линия лимана очень извилиста, а ложе южной и центральной его частей представляет собой набор глубоких котловин,  разъединенных  мелководными участками - косами. В результате, в лимане отсутствуют протяженные и мощные вдольбереговые течения, которые способствуют массообмену между различными его частями. Вихревые структуры препятствуют распространению водных масс и примеси вдоль акватории лимана.
Анализ полученной в результате моделирования изменчивости  осредненной по глубине скорости течений, а также расходов воды в канале при различных его морфометрических характеристиках показал, что  скорость интегрального по глубине потока в канале значительно возрастает при увеличении его глубины и, в отличие от расходов,  практически не меняется - при увеличении ширины. Это свидетельствует о доминирующем влиянии на скорость потока в канале, в рассматриваемом диапазоне значений морфологических характеристик, придонного трения по  сравнению с боковым трением о стенки канала. Баротропные течения и расходы воды в канале характеризуются очень сильной короткопериодной  изменчивостью как по величине, так и по направлению, что обусловлено совместным действием, ветра, колебаний уровня воды в лимане и море.
Использование консервативной примеси нейтральной плавучести в качестве индикатора проникновения в лиман морских вод и их трансформации (разбавления лиманными водами)  показало, что для  увеличения водообновления лимана более предпочтительным является углубление канала на 1,5 м до глубины  = 2,0 м при отметке уровня воды в лимане -0,4 мБС. При этом будет получен практически тот же эффект, что и при расширении соединительного канала до d = 100 м, при сохранении современной глубины  = 0,5 м. Углубление канала является более экономико-экологически  обоснованным вариантом, чем его расширение, поскольку территория, прилегающая к каналу, входит в региональный ландшафтный парк, используется в рекреационных целях, соленые озера являются местом массового гнездования птиц.  Кроме того, через канал, перед вхождением его в лиман, проходит автомобильная трасса с мостом. Следовательно, расширение канала повлечет за собой реконструкцию соответствующих автодорожных сооружений. Тем не менее, если не исключать возможность расширения существующего канала, то наиболее эффективным будет вариант максимально возможного расширения канала с одновременным его углублением. Заметим, что углубление канала более чем на 1,5 м ( > 2,0 м)  невозможно, исходя из преобладающих глубин самого лимана в точке вхождения в него канала.
Приведенные на рис. 1 результаты модельных расчетов свидетельствуют, что при углублении существующего канала до  = 2,0 м или расширении его до   d = 100 м процентное содержание морской воды в южной части лимана увеличится в два раза с 15 до 30 %, а при расширении канала до d = 50 м и углублении его до  = 2,0 м  - до 40 %. Однако из-за значительной протяженности канала и наличия мелководных перемычек (кос) между южной и центральной частями лимана, проникновение морских вод в центральную, а тем более северную части лимана весьма невелико (рис. 1: б, в). Время «добегания» морских вод до центральной части лимана составляет » 30 суток, а до северной его части -  50  суток.
Из сравнения рис. 1.а и 1.г  видно, что проникновение морских вод  в лиман происходит преимущественно в поверхностном слое лимана, что закономерно, поскольку  морские воды имеют меньшую соленость, чем лиманные, вследствие  распресняющего влияния речного стока Днепра и Южного Буга, а также почти трехкратного превышения испарения с поверхности лимана над осадками в летний период года.
Наличие соленых озер, прилегающих к каналу и связанных с ним, хотя и уменьшает поступление морских вод в лиман, но не существенно, поэтому  вариант их периодической изоляции от канала не может рассматриваться как альтернатива необходимости углубления и (или) расширения канала для интенсификации водообмена с морем.
Выводы. На основе анализа результатов численных экспериментов с моделью установлено, что для увеличения водообмена с морем и водообновления лимана предпочтительным является углубление существующего соединительного канала с 0,5 до 2,0 м (при отметке уровня моря минус 0,4 м БС). Даже при наличии возможности увеличения ширины канала, необходимо сочетать его с одновременным углублением.
Увеличение водообмена с морем путем углубления и (или) расширения канала приведет к улучшению гидроэкологических условий в южной части лимана. Однако, из-за наличия мелководных перемычек (кос),  практически не повлияет на центральную и северную его части. Объясняется это особенностями геоморфологической структуры и циркуляции вод лимана.

Рис. 1. Изменчивость концентрации консервативной примеси нейтральной плавучести (усл. ед.), поступающей в лиман с морскими водами (100 усл. ед. на морской границе канала), в реперных точках акватории лимана при различных морфометрических характеристиках канала:
а -  поверхностный слой,  южная часть лимана; б - поверхностный слой, центральная часть лимана; в - поверхностный слой,  северная часть; г - придонный слой,  южная часть. Обозначения кривых на графиках: 1 - м, d = 30 м; 2  -  м, d = 50 м; 3 - м, d = 100 м; 4 - м, d = 30 м; 5 - м, d = 50 м

Список літератури

• Тучковенко Ю.С., Тучковенко О.А. Главные гидроэкологические проблемы Тилигульского лимана // Матеріали всеукр. науково-практ. конф. «Лимани північно-західного Причорномор’я: актуальні гідроекологічні проблеми та шляхи їх вирішення».- Одеса: ОДЕКУ, 12-14 вересня 2012 р. - С. 63-66.
• Баркер Н., Босх Р., Лисовская В.И., Тауссик Дж., Цокур А.Г., Шуйский Ю.Д.  Рекомендации к плану комплексного управления прибрежной зоной Тилигульского лимана // Причорноморський екологічний бюлетень. – Одеса: Одеський центр НТЕІ. – № 2-3. – 2004. – С. 217 – 221.
• Актуальные проблемы лиманов северо-западного Причерноморья: Кол. моногр. / под ред.
  
  Ю.С. Тучковенко, Е.Д. Гопченко. Одес. гос. экол. ун-т. – Одесса:ТЕС, 2012. –  224 с.

Оценка  влияния  морфометрических  характеристик соединительного канала на водообмен  Тилигульского лимана с Черным морем [Електронний ресурс]  / Тучковенко Ю.С., Тучковенко О.А. // Режим доступу: http://eco.com.ua/