Июн 27 2002

Математическая модель качества вод

Математическая модель качества вод

экосистемы Одесского региона

северо-западной части Черного моря

Ю.С. Тучковенко

Одесский филиал Института биологии южных морей

им. А.О. Ковалевского НАН Украины

Под Одесским регионом северо-западной части Черного моря (СЗЧМ) понимается акватория, прилегающая к городу-порту Одессе и портам-спутникам Южный и Ильичевск. В мористой части этот район ограничивается траверсами проливов, соединяющих Аджалыкский и Сухой лиманы с открытым морем.

На качество вод экосистемы Одесского региона СЗЧМ большое влияние оказывает речной сток Днепра, Южного Буга и частично Дуная, с водами которых поступает значительное количество загрязняющих веществ. На побережье исследуемого района расположены промышленная, портовая и жилая зоны как самого города Одессы, так и его городов-спутников Ильичевск и Южный, сточные воды которых являются мощным антропогенным источником загрязнения Одесского региона СЗЧМ.

С другой стороны Одесский регион является санаторно-курортной зоной Украины, на побережье которого в летнее время отдыхают и лечатся тысячи как жителей Украины, так и других стран СНГ. К этому региону примыкает также Одесская банка – ценнейший рыбохозяйственный участок Черного моря, на котором идет воспроизводство рыбных ресурсов.

Таким образом, прогноз и управление качеством вод в Одесском регионе СЗЧМ, выяснение роли различных природных и антропогенных источников в формировании уровня загрязнения этой акватории, является актуальной задачей. Решишь ее невозможно без использования математических моделей водных экосистем, в которых учитываются не только прямые, но и обратные связи между биотическим и абиотическим компонентами водной экосистемы, а также трофические связи внутри биотического компонента.

В Одесском отделении Института биологии южных морей, начиная с 80-х годов накоплен значительный натурный материал об изменчиво-

сти основных биотических элементов экосистемы Одесского региона и гидрохимических показателей качества ее вод. Установлено, что наблюдаемые в этом районе концентрации загрязняющих веществ в несколько раз превышают их значения, характерные для мористой части СЗЧМ. Обусловлено это прежде всего вкладом антропогенных источников загрязнения мегаполиса Одесса.

Экосистема Одесского региона СЗЧМ относится к разряду эвтрофных. В летние месяцы года в придонных слоях периодически отмечаются случаи гипоксии и аноксии, что связано как с особенностями гидрологического и гидрохимического режима акватории, так и с неконтролируемым поступлением биогенных веществ и органического вещества со сточными водами антропогенных источников. В результате происходит гибель аэробных морских организмов в придонном слое, ухудшаются условия обитания высших гидробионтов, нарушается устойчивость, трофическая структура и динамика функционирования экосистемы, теряется биопродукционный и рекреационный потенциал морской среды.

Таким образом, выработка стратегии управления качеством вод экосистемы исследуемого района путем нормирования сбросов антропогенных источников загрязнения представляется актуальной научной задачей. Решение этой задачи невозможно без разработки и использования математических моделей, которые позволяют прогнозировать возможные изменения в состоянии экосистемы и качества ее вод при тех или иных изменениях факторов окружающей среды и антропогенных воздействий.

C 2001 года работы по адаптации и калибрации численной трехмерной математической модели качества вод экосистемы Одесского региона СЗЧМ проводятся в Одесском филиале Института биологии южных морей. Разработка этой модели преследует несколько целей. С одной стороны, модель может быть использована в научных целях для проверки научных гипотез и объяснения фактов, регистрируемых в ходе экологического мониторинга; установления причинно-следственных связей различных процессов и явлений, наблюдаемых в исследуемой акватории. С другой стороны, модель может быть использована в качестве инструмента для решения различного рода прикладных задач, связанных с прогнозированием продуктивности и управлением, в рамках возможного, качеством вод исследуемой экосистемы.

Предполагается, что модель будет состоять из трех блоков (подмоделей):

– трехмерная гидродинамическая модель, описывающая динамику вод и распространение пассивной, консервативной примеси при различных гидрометеорологических условиях, с учетом морфологических особенностей бассейна (батиметрии, конфигурации берегов) и речного стока;

– блок самоочищения вод от загрязняющих веществ, которые не свойственны морской среде, т.е. поступают в экосистему из внешних, как правило, антропогенных источников;

– блок эвтрофикации и кислородного режима вод, в котором описаны естественные химико-биологические процессы, определяющие баланс веществ и энергии в экосистеме, степень ее трофности и сапробности.

Гидродинамический блок модели представляет собой известную модель Хесса MECCA (Model for Estuarine and Coastal Circulation Assessment) [1] для эстуарных зон, дополненную блоком переноса пассивной, консервативной примеси с использованием транспортивных конечно-разностных схем. Эта модель позволяет рассчитывать трехмерную термохалинную структуру вод, интенсивность турбулентного обмена, а также стоковые, ветровые и плотностные течения в эстуариях, заливах, лиманах и на мелководном континентальном шельфе. По своей структуре она согласуется с другой хорошо известной из литературы моделью [2].

Характерной особенностью данной модели является то, что она позволяет одновременно производить расчеты динамики вод и распространения примеси на акватории сопряженных водных объектов как сеточного, так и подсеточного масштабов. В данном случае, под водными объектами сеточного масштаба понимаются заливы, бухты, лиманы, участки морского шельфа, пространственные размеры которых намного превышают шаг расчетной сетки численной модели. Подсеточными называются водные объекты, одна из горизонтальных геометрических характеристик которых значительно меньше шага расчетной сетки (например, узкие реки, каналы, проливы).

Указанное свойство модели имеет особенно важное значение для корректного описания динамики вод в устьевых областях рек Дунай, Днепр, Южный Буг, а также циркуляции вод как в самих лиманах, где есть узости (например, Сухой лиман), так и водообмена между ними и северо-западной частью Черного моря через узкие проливы.

При построении блока самоочищения вод от неконсервативных загрязняющих веществ и патогенной микрофлоры предполагается, что деградация (гибель) загрязняющих веществ (микроорганизмов) в результате их физико-химической и (или) биохимической трансформации описывается кинетическим уравнением реакции первого порядка:

                                  (1)

где Km - константа скорости распада (гибели) субстанции, определяемая экспериментальным путем по формуле

 ,                               (2)

и являющаяся функцией свойств среды (температуры, солености воды, рН и т.п.). Здесь,  – начальная концентрация загрязняющего вещества;  – концентрация через время t; t´- время, в течение которого практически не происходит изменения концентрации  (время адаптации микроорганизмов).

Рис. 1. Структурная диаграмма химико-биологического блока модели эвтрофикации и связей между его элементами

Блок эвтрофикации фактически представляет собой модель функционирования водной экосистемы с высокой степенью агрегированности ее биологических элементов. В первоначальном варианте он включает в себя описание динамики следующих характеристик водной экосистемы: фитопланктон, зоопланктон, мертвое органическое вещество, фосфаты, аммоний, нитриты, нитраты, растворенный кислород. Диаграмма связей между компонентами экосистемы представлена на рис.1.

Объединение химико-биологической части модели с гидродинамической в единую модель качества вод осуществляется на основе уравнения переноса неконсервативной примеси:

 (3)

где t – время; - компоненты вектора скорости течений  в направлениях x, y, z, соответственно, рассчитываемые в гидродинамическом блоке;  и  - коэффициенты горизонтальной и вертикальной диффузии примеси, рассчитываемые в гидродинамическом блоке; C – концентрация примеси химического или биологического происхождения; - скорость гравитационного осаждения примеси; F – рассчитываемая в блоке самоочищения или эвтрофикации функция неконсервативности, учитывающая внутренние источники и стоки примеси C, обусловленные химико-биологическими реакциями, протекающими в экосистеме.

Модель качества вод, сходная по структуре с описанной выше, была успешно использована для разработки научно-обоснованных природоохранных мероприятий с целью реабилитации экосистем водоемов Карибского побережья Колумбии [3].

Литература

1. Hess K.W. MECCA Program Documentation NOAA. Technical Report NESDIS 46.- Wash. , D.C. , USA, 1989. - 200 p.

2. Blumberg A.F., Mellor G.L. Diagnostic and prognostic numerical circulation studies of the South Atlantic Bight. // J.Geophys.Res., N 88, 1983.-P.4579-4592.

3. Тучковенко Ю.С. Трехмерная математическая модель эвтрофикации прибрежных морских акваторий // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа, вып.2-НАН Украины, МГИ, ОФ ИнБЮМ, Севастополь, 2001.- 43-61.

Нет пока ответов

Комментарии закрыты.