КАЧЕСТВО ВОД ЭКОСИСТЕМ ШЕЛЬФОВЫХ ЗОН МОРЕЙ В УСЛОВИЯХ АНТРОПОГЕННОГО ВЛИЯНИЯ : ЯКІСТЬ ВОД ЕКОСИСТЕМ шельфових ЗОН МОРІВ В УМОВАХ АНТРОПОГЕННОГО ВПЛИВУ

Краткое содержание

У розділі 1 приведене теоретичне обґрунтування використання математичних моделей при розв’язанні задач екологічного планування, прогнозування, оцінки доцільності і виправданості різних управлінських рішень в області морського природокористування та природоохорони.  Розкрито можливості використання математичних моделей як для аналізу функціонування водних екосистем, так і для прогнозування екологічних наслідків того чи іншого виду антропогенного впливу на морське середовище. Показано, що математичні моделі функціонування екосистем є сполучною ланкою між екологічною теорією, науковими дослідженнями і управлінням.

В екологічних дослідженнях роль математичних моделей полягає в тому, щоб оцінити вплив різних типів антропогенного навантаження на екосистеми, тому що це може бути зроблено значно швидше, дешевше, ніж на дійсній природній системі, і без ризику, що несподівані ефекти будуть мати негативні, а найчастіше і незворотні наслідки.

 Математичні моделі якості вод являють собою окремий випадок моделей функціонування водних екосистем, оскільки при їх побудові використовуються аналогічні принципи, а в математичну структуру включені основні хіміко-біологічні процеси, що визначають якість середовища життєдіяльності гідробіонтів і первинну продукцію органічної речовини. Біотичні складові в моделях якості вод, як правило, максимально агреговані, а зв'язки між ними спрощені. Головна увага приділяється коректному опису мінливості гідрохімічних показників якості водного середовища і тим біотичним компонентам екосистеми, які  безпосередньо зв'язані з абіотичними параметрами середовища прямими і зворотними зв'язками.

По характеру впливу на водні екосистеми, усі забруднюючі речовини хімічної природи можна умовно розбити на дві основні групи: евтрофуючі (біогенні) речовини і токсиканти. Динаміка цих груп забруднюючих речовин по різному описується в моделях якості вод. У першому випадку використовуються спрощені модифікації моделей функціонування водних екосистем, у яких біотичні компоненти максимально агреговані. В другому випадку вирішується задача самоочищення вод, у якій не розглядаються зворотні зв'язки, що існують між компонентами моделі, і описується тільки зменшення концентрацій забруднюючих речовин в результаті сукупної дії процесів фізичної, хімічної і біологічної природи.

Комплексні багатоцільові просторово-розв’язуючі моделі якості морських вод містять у собі: числову гідродинамічну модель, що описує мінливість термохалинної структури і динаміки вод (течій, інтенсивності турбулентного обміну) на досліджуваній акваторії з часом; блок переносу домішок, у якому розраховується перерозподіл домішок в просторі з часом під дією течій і дифузійного обміну; а також хіміко-біологічний блок, у якому визначаються функції неконсервативності модельованих речовин, трансформація яких у кожній локальній точці простору здійснюється хімічним, фізико-хімічним, біогеохімічним і (чи) біологічним шляхом. Виходячи з розподілу забруднюючих речовин на дві основні групи (евтрофуючі і токсичні), хіміко-біологічний блок, у свою чергу, складається з (під)блоків евтрофікації та самоочищення вод від забруднюючих речовин.

Виконаний у розділі огляд відомих вітчизняних і закордонних розробок в області математичного моделювання функціонування водних екосистем і формування якості їхніх вод, показав, що в зв'язку з активним освоєнням і використанням ресурсів морського шельфу України, актуальною представляється задача розробки вітчизняної комплексної математичної моделі якості вод шельфових морських екосистем, що відповідає сучасним вимогам і може використовуватися у вирішенні широкого кола прикладних задач екології моря. Причому проблема полягає не тільки в створенні власне моделі та її програмної реалізації, а й у відпрацюванні методів калібрування її параметрів, включаючи збір необхідної для цього вихідної інформації, і прийомів застосування моделі для одержання практично значущих результатів.

У розділі 2 виконано фізико-географічний та екологічний опис шельфових морських акваторій, що є об'єктами дослідження в помірних і тропічних широтах. Методологія використання числових математичних моделей для вирішення прикладних задач екології моря розроблялася й апробувалася  для двох, різних за кліматичними умовами, районів Світового океану: колумбійської ділянки шельфу Карибського моря і північно-західної частини Чорного моря.

Тропічні морські екосистеми викликають особливий інтерес як об'єкти математичного моделювання, оскільки через дуже  малу сезонну циклічність у мінливості температурних умов, вони ідеально підходять для тестування математичної структури хіміко-біологічних блоків моделей екосистем на предмет адекватності опису в них реальних зв'язків між неживими і біотичними компонентами, а також чинників, які впливають на ці зв'язки. Окрім того, у тропічних широтах швидкості біогеохімічних процесів, що протікають у морському середовищі, максимальні через стабільно високу протягом усього року температури води (29 - 33 °C). У результаті, негативні наслідки  антропогенного впливу в них виявляються більш яскраво, ніж у помірних широтах.

Основний об'єкт екологічних досліджень і моделювання в помірних широтах, розглянутий у роботі, - Одеський регіон Дніпровсько-Бузької пригирлової ділянки північно-західної частини Чорного моря (ПЗЧМ). Досліджувався також водно-сольовий баланс Тузловських лиманів, розташованих у центральній частині Дунай -Дністровського межиріччя.

 На колумбійському шельфі Карибського моря досліджувалися три частково ізольованих від прилеглої морської акваторії прибережних водойми, екосистема і якість вод яких зазнають сильного антропогенного впливу і мають потребу в реконструкції: бухта Картахена (Cartagena), мілководна лагуна Сіенага де Теска  (Cienaga de Tesca),  мілководний лиман Сіенага Гранде де Санта-Марта (Cienaga Grande de Santa Marta). Бухта Картахена і лагуна Сіенага Гранде де Санта-Марта штучно перетворені в морські водойми естуарного типу.

На основі даних екологічного моніторингу, описані встановлені автором особливості гідрологічного і гідрохімічного режимів, формування якості вод і первинної продукції органічної речовини в досліджуваних шельфових акваторіях; сформульовані екологічні проблеми, вирішення яких потребувало розробки адекватних математичних моделей. Показано, що за винятком Тузловських лиманів, розглянуті в роботі морські акваторії мають серйозні екологічні проблеми, пов'язані з антропогенним втручанням і навантаженнями.

У мілководну тропічну лагуну Сіенага де Теска і глибоку, але з мілкими  морськими протоками, бухту Картахена скидаються, відповідно, 60 і 40 % неочищених господарсько-побутових стоків міста Картахена. У результаті, якість вод в Сіенага де Теска  навіть згідно з нормативами для поверхневих вод суші  відповідає стану дуже брудних (гіпертрофних, полісапробних) водойм, де є всі ознаки евтрофікації, включаючи перенасичення киснем вод поверхневого шару і повна його відсутність у придонному шарі на глибинах більш 1 м. Порівняння даних екологічного моніторингу за 1996-99 рр. з архівними епізодичними спостереженнями, виконаними в 1983-84 і 1994-95 рр., свідчить про різке погіршення екологічної ситуації на акваторії водойми, порушення сформованого раніше балансу продукційно-деструкційних процесів і нестійкість в динаміці екосистеми.

Крім господарсько-побутових стоків, у бухту Картахена надходять індустріальні стоки промислової зони міста і забруднені прісні води каналу Дікуе, що зв'язує бухту з річкою Магдалена. Надходження великої кількості біогенних речовин з водами зазначених джерел привело до евтрофікації вод бухти. Евтрофування вод, мілководість морських проток, утворення під впливом прісного стоку каналу Дікуе різкого приповерхневого пікноклину, ослаблення вітрів і загострення пікноклину в сезон дощів сприяють періодичному виникненню дефіциту кисню в придонному шарі бухти. Крім біогенних речовин, з водами каналу Дікуе в бухту виноситься значна кількість мінеральної зависі, що, з одного боку, сприяє обмілінню судноплавних каналів і причалів, погіршує умови життєдіяльності морських гідробіонтів, а, з іншого боку, лімітує первинну продукцію фітопланктону через малу прозорість вод. Згідно з даними моніторингу в б.Картахена відзначається високий рівень забруднення вод патогенними бактеріями.

У мілководному лимані Сіенага Гранде де Санта-Марта  і, зв'язаної з ним, системі малих морських озер Пахаралес, через відсутність екологічного обґрунтування інженерних рішень, порушився істотний водообмін з морем і загинули унікальні мангрові зарості. Збільшення  припливу прісних вод з ріки Магдалена через систему штучних каналів хоча й усунуло проблему сильного осолонення мілких морських озер, але не привело до відновлення багаторічних мангрових заростей і породило нові проблеми, пов'язані з евтрофуванням водойми, періодичною загибеллю нових видів мангрів через затоплення, погіршенням умов для функціонування морських господарств у  вологий сезон року (сезон дощів).

У досліджуваних тропічних морських екосистемах первинна продукція органічної речовини фітопланктоном лімітується не біогенними елементами, а малою прозорістю вод. Для мілководних водойм властиві дуже високі значення біохімічного споживання кисню і концентрації органічної речовини. Поточний стан цих екосистем  чутливий до кліматичних коливань,  пов'язаних з розвитком явища Ель-Ніньо.

Якість вод в Одеському регіоні Дніпровсько-Бузької пригирлової ділянки північно-західної частини Чорного моря визначається надходженням біогенних і токсичних речовин з річковим стоком Дніпра і Південного Бугу, а також функціонуванням антропогенних джерел забруднення в прибережній зоні. Концентрації окремих видів забруднюючих речовин (наприклад, нафтопродуктів, БСК, кишкової палички) у водах Одеського регіону можуть  перевищувати гранично-припустимі концентрації (ГПК). Води акваторії сильно евтрофовані, а в літній період року нижче пікноклину розвивається гіпоксія. Первинна продукція фітопланктону у весняно-літній період року лімітується мінеральним фосфором.

Вагомий вплив на поточний просторовий розподіл і мінливість гідрохімічних і гідробіологічних характеристик вод акваторії справляють такі типові для району гідрологічні явища як проникнення язика розпріснених вод із Дніпровсько-Бузького лиману навесні і прибережний вітровий апвеллінг у весняно-літній період року. Розвиток цих явищ супроводжується надходженням в Одеський регіон додаткових кількостей біогенних мінеральних і органічних речовин, а отже, сприяє  посиленню процесу евтрофування його вод.

У язику трансформованих річкових вод, що надходять у досліджуваний район із Дніпровсько-Бузького лиману навесні,  спостерігається підвищений вміст хлорофілу «а» і біомаси фітопланктону, оскільки високі концентрації біогенних речовин у річкових водах сприяють первинному продукуванню органічної речовини фітопланктоном. Ця органічна речовина під дією сили тяжіння осаджується і депонується в донних відкладеннях і,  таким чином, збільшується імовірність розвитку гіпоксії в придонному шарі району в літній період року.

Систематичні  згонні явища  в прибережній зоні моря в літній період року,  з одного боку, сприяють  збагаченню фотичного шару  біогенними елементами, стимулюючи продукцію органічної речовини, яка в остаточному підсумку надходить, унаслідок гравітаційного осадження, у шари нижче пікноклину і, окисляючись, сприяє розвитку гіпоксії. А з іншого боку, згони  супроводжуються надходженням гіпоксійних вод проміжного шару в найбільш продуктивну прибережну зону моря, що приводить до рецидивного  розвитку в ній гіпоксійно-аноксійних умов і загибелі гідробіонтів.

Отже в роки, коли в районі Одеського узбережжя вітрові умови  сприяють  частому, інтенсивному і тривалому розпрісненню вод навесні і розвитку прибережного апвеллінгу влітку, імовірність і масштаби розвитку гіпоксійних явищ у придонному шарі досліджуваної акваторії збільшуються.

Для Тузловської групи лиманів проблема полягає в низькій  рибопродуктивності при досить високій кормовій базі, що обумовлено  особливостями їхньої морфології і гідрологічного режиму. При відсутності штучного водообміну з морем можливе їх сильне обміління й осолонення вод.

Таким чином, усі розглянуті водні об'єкти й акваторії шельфової зони моря потребують розробки стратегії і прогностичної оцінки ефективності заходів, спрямованих на стабілізацію і поліпшення їх екологічного стану. Для вирішення цієї задачі використовувалися  методи числового математичного моделювання динаміки і якості морських вод.

У розділі 3 описана математична структура гідродинамічного блоку тривимірної нестаціонарної числової моделі якості вод шельфової зони моря, побудованого на основі відомої гідродинамічної моделі MECCA - Model for Estuarine and Coastal Circulation Assessment  (Hess, 1989).

Характерною рисою моделі є можливість її використання для розрахунків динаміки вод і поширення домішок в морських акваторіях, окремі ділянки яких мають менший (підсіточний) розмір в одному з горизонтальних напрямків, ніж крок розрахункової сітки (наприклад, протоки, канали, гирла річок).

В основу моделі покладена повна система рівнянь гідротермодинаміки в наближенні Буссінеска, нестисливості і гідростатики, яка включає рівняння: руху для горизонтальних складових вектора швидкості течії, гідростатичного наближення, нерозривності, стану,  збереження тепла і солей. Для моделювання течій і переносу субстанцій на підсіточних масштабах у каналах чи річках, вихідна система рівнянь інтегрувалася поперек потоку (тобто в нормальному до потоку напрямку в горизонтальній площині). Нова система рівнянь, яка використовується в моделі, отримана в результаті об'єднання проінтегрованих поперек потоку і вихідних рівнянь таким чином, щоб при відсутності каналу (тривимірний потік) виходила вихідна система рівнянь у традиційній формі, а за його наявності – осереднені поперек потоку  рівняння (двовимірний потік). Числова реалізація отриманої системи рівнянь виконана в криволінійній по вертикалі системі координат, з використанням  неявних кінцево-різницевих схем.

Метод розв’язання гідродинамічної задачі передбачає розщеплення повної швидкості течій на середню по глибині швидкість (баротропна складова)  і відхилення від неї на кожному розрахунковому рівні (бароклинна складова). Вертикальна турбулентна в'язкість описується на основі напівемпіричної теорії турбулентності як функція стійкості водяного стовпчика і локального вертикального зсуву швидкості течій. Коефіцієнти горизонтального турбулентного обміну розраховуються, виходячи із значення локального горизонтального зсуву баротропної складової швидкості течій і просторового кроку горизонтальної кінцево-різницевої сітки.

Модель містить блоки розрахунку потоку тепла через поверхню моря (на основі метеорологічних даних), засвоєння гідрометеорологічної інформації на границях розрахункової області і дозволяє відтворювати просторово-часову мінливість рівня моря, термохалинної структури вод, тривимірних полів течій та  інтенсивності турбулентного обміну на часових відрізках від декількох діб до річного циклу в акваторіях морського шельфу із складними морфологічними і гідрологічними характеристиками. Модель доповнена  блоком переносу неконсервативної домішки, що дозволяє описувати одночасне поширення в тривимірному просторі до 15 неконсервативних елементів, які мають різні властивості.

У розділі приведені також результати адаптації гідротермодинамічної моделі до умов Дніпровсько-Бузького пригирлового району північно-західної частини Чорного моря, що демонструють можливості її використання для опису гідродинамічних процесів і гідрології вод у пригирлових шельфових зонах морів помірних широт, для яких властива яскраво виражена сезонна мінливість термохалинної структури вод.

У розділі 4 описана математична структура хіміко-біологічної частини моделі якості морських вод, яка складається з двох блоків:

·       блоку самоочищення, у якому розраховується зменшення концентрації забруднюючої речовини в кожній локальній точці простору в результаті сукупної дії різного роду фізико-хімічних, хімічних, біохімічних і біологічних процесів, що протікають у морському середовищі;

·       блоку евтрофікації, що представляє собою систему взаємообумовлених  диференціальних рівнянь, які описують біогеохімічні цикли біогенних елементів, продукцію і деструкцію органічної речовини, трофічні зв'язки і динаміку кисню в локальній точці водного середовища.

     Блок самоочищення вод застосовується для забруднюючих речовин (ЗР), що не властиві морському середовищу, тобто надходять до екосистеми з зовнішніх, як правило, антропогенних джерел і не мають у морському середовищі істотних вагомих джерел. Цій умові задовольняють, у загальному випадку, токсиканти: нафтопродукти, синтетичні поверхнево-активні речовини, патогенні бактерії, феноли, важкі метали і т.п.

При вирішенні задачі самоочищення вод враховуються лише ті природні процеси, які приводять до дифузії, руйнування і трансформації забруднюючих речовин у водному середовищі досліджуваної акваторії моря, або сприяють виведенню цих речовин за її межі. Вторинними джерелами ЗР у водному середовищі при розв’язанні задачі самоочищення, як правило, нехтують, вважаючи, що вони відсутні або їх інтенсивність незрівнянно мала у порівнянні з процесами деградації і розпаду.

У першому наближенні, при побудові блоку самоочищення вод від неконсервативних ЗР припускають, що їхня деструкція описується кінетичним рівнянням реакції 1-го порядку. Оскільки в умовах водного середовища хімічні, біологічні, біохімічні і фізико-хімічні процеси розпаду ЗР тісно взаємопов’язані і протікають одночасно, то найбільш доцільним для практичних розрахунків є визначення і використання сумарних питомих швидкостей трансформації (коефіцієнтів неконсервативності) ЗР. Їх значення для конкретних типів ЗР можуть бути взяті з літературних джерел, або визначені в натурних чи, у максимально наближених до натурних, лабораторних умовах. При цьому не виконується диференційований кількісний облік окремих процесів. В окремих випадках, при наявності необхідної інформації,  коефіцієнт неконсервативності ЗР може бути представлений у мультиплікативній формі як функція від визначаючих його характеристик  водного  середовища.

Блок евтрофікації має більш складну математичну структуру, оскільки фактично являє собою модель функціонування водної екосистеми з високим ступенем агрегованності її біологічних елементів. У ньому розглядаються як прямі, так і зворотні зв'язки між біотичними і абіотичними елементами екосистеми при обов'язковій умові виконання законів збереження речовин та енергії. У якості елементів блоку евтрофікації розглядаються показники якості вод морських екосистем, що характеризують рівень їхньої трофності і сапробності. До числа таких показників відносяться: концентрації мінеральних і органічних форм біогенних речовин, біомаса фітопланктону і бактерій, вміст  кисню, біохімічне споживання кисню (БСК_с, БСК₅).

При збереженні загальних принципів побудови, математична структура блоку евтрофікації моделі якості вод конкретного водного об'єкта багато в чому залежить від його морфологічних і режимних характеристик, специфіки задач, які вирішуються, і повноти вихідної інформації про об'єкт, отриманої в ході екологічного моніторингу. Автором розроблено ієрархічний комплекс оригінальних за математичною структурою блоків евтрофікації, що розрізняються по числу перемінних і рівню деталізації взаємозв'язків між біотичними і абіотичними компонентами морської екосистеми (моделі). Кожний з 4-х представлених у роботі варіантів блоку евтрофікації дозволив вирішити поставлену прикладну задачу для конкретного водного об'єкту і,  у той же час,  базувався на доступному (у фінансовому і методичному відношеннях) обсязі вихідної інформації.

Найбільш простий варіант блоку (1-го рівня ієрархії), розроблений для лагуни Сіенага де Теска, базується на стандартному наборі визначаємих гідрохімічних характеристик (мінеральні форми азоту і фосфору, БСК, розчинений кисень) і містить тільки одну біотичну перемінну – біомасу фітопланктону, яка у першому наближенні може бути оцінена по концентрації хлорофілу «а». Швидкості регенерації мінеральних форм азоту і фосфору вважаються рівними й описуються кінетичним рівнянням реакції біохімічного окислювання органічної речовини 1-го порядку. Враховуються розходження в стехіометричному співвідношенні для неживої (косної) органічної речовини природного (автохтонного) і антропогенного походження.