Авг 22 2006

Результаты использования численной математической модели качества вод при решении прикладных экологических задач

Опубликовано в 18:19 в категории Одесский регион

РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЧИСЛЕННОЙ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ КАЧЕСТВА ВОД при решении ПРИКЛАДНЫХ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ Задач

Е.Д. Гопченко, Ю.С. Тучковенко, О.Ю. Сапко

Одесский государственный экологический университет, Одесса

В связи с существенной антропогенной нагрузкой на экосистемы шельфовых морских акваторий и внутриконтинентальных водоемов особую актуальность приобретает задача управления качеством их вод путем нормирования и оптимизации сбросов загрязняющих веществ, реализации различных экологических и гидротехнических проектов. Объективное научно-обоснованное прогнозирование экологических последствий, оценка эффективности различных управленческих решений в области рационального использования, охраны и восстановления ресурсов морских акваторий и пресноводных водоемов невозможны без использования математических моделей формирования качества их вод. Одна из таких моделей современного уровня разработана и активно используется при решении региональных прикладных экологических задач в Одесском филиале Института биологии южных морей НАН Украины и Одесском государственном экологическом университете.

Модель включает в себя трехмерный термогидродинамический блок, блок самоочищения вод от загрязняющих веществ антропогенного происхождения не свойственных морской среде и блок эвтрофикации [1].

В работе приведен обзор результатов, полученных с помощью вышеуказанной модели, при решении региональных прикладных экологических задач, связанных с выработкой стратегии управления качеством вод морских и пресноводных экосистем, подверженных антропогенной нагрузке. Объектами моделирования являлись Тузловская группа лиманов, Одесский район северо-западной части Черного моря (СЗЧМ), озера Ялпуг-Кугурлуй Придунайской озерной системы.

Поскольку для Тузловских лиманов водообмен с открытым морем играет важную роль в стабилизации гидролого-гидрохимического режима и существенно влияет на их экологическое состояние, то гидродинамический блок модели качества вод использовался при разработке научно-обоснованных рекомендаций по численности, расположению, параметрам и режиму эксплуатации искусственно созданных в косе-пересыпи соединительных каналов с морем. При этом в качестве критерия для оценки эффективности различных вариантов инженерных решений, направленных на управление водообменом лиманов с морем, использовалась соленость вод в лиманах. Показано [2], что для стабилизации гидрологического и гидрохимического режимов лиманов, путем обеспечения водообмена с морем, оптимально строительство двух каналов в песчаной пересыпи: в л.Бурнас (северный) - шириной 5 м и л.Шаганы (южный) - шириной 20 м. Глубина каналов 0.5 м. При этом удастся избежать чрезмерного обмеления и осолонения Тузловских лиманов в летний период, особенно в маловодные годы.

В Одесском районе СЗЧМ трехмерный вариант модели качества вод использовался для определения степени влияния речного стока Днепра, Южного Буга и береговых антропогенных источников на сложившийся уровень трофности и загрязнения вод акватории. Расчеты с учетом различной степени гидродинамического разбавления речных и сточных вод показали, что вклад последних в формирование наблюдаемых в указанном районе концентраций биогенных элементов, в предположении их консервативности, при дискретизации акватории с горизонтальным пространственным шагом 2 км, не превышает 8-15 % для азота аммония, 25-40 % для нитратов и 20-50 % для фосфатов, в зависимости от сезона и гидрометеорологических условий (ветра, расхода рек и т.д.). Из расчетов, выполненных с использованием модели эвтрофикации, следует [3], что в весенний период сбросы береговых антропогенных источников обеспечивают прирост биомассы фитопланктона от 3 (в мористой части акватории) до 20 % (в прибрежной зоне), величины БПК5 – до 6-9 %, фосфатов – до 30-60 %. В летний период интенсифицируются внутриэкосистемные процессы регенерации неорганических форм биогенных элементов. Уменьшается время прохождения биогенными элементами их биогеохимических циклов. При оптимальном режиме эксплуатации прекращается сброс сточных вод со станции биологической очистки (СБО) «Северная» в море. Обостряется сезонный пикноклин, затрудняющий поступление сточных вод с заглубленных выпусков в фотический слой. В результате роль береговых антропогенных источников как поставщика биогенных элементов и стимулятора процесса первичного продуцирования органического вещества летом существенно уменьшается. В частности, прирост биомассы фитопланктона, обусловленный сбросами стационарных береговых источников, уменьшается до 3 %, концентрации фосфатов – до 5%, аммония – до 3 %, БПК5 – до 2.5 %. При детализации пространственного разрешения до 500 м вклад береговых антропогенных источников в формирование наблюдаемых в летний период в прибрежной зоне моря концентраций фосфатов возрастает – до 75 %, фитопланктона – до 7 %, БПК5 – до 8 %. К значительному усилению эвтрофикации вод Одесского залива и прилегающей акватории района приводит сброс сточных вод с СБО «Северная» в море летом. При этом биомасса фитопланктона и БПК5 в водах Одесского залива увеличиваются на 50 %, содержание фосфатов и нитратов – в 2 - 5 раз.

Приведенные значения оценок вклада береговых антропогенных источников в формирование уровня трофности вод Одесского региона СЗЧМ показывают, насколько региональные природоохранные мероприятия могут улучшить современную экологическую ситуацию в этой акватории, в целом, и ее прибрежной зоне, в частности. Для достижения более радикального улучшения необходимо осуществление мероприятий по повышению качества речных вод на общегосударственном уровне.

При решении с помощью модели задачи самоочищения вод получены оценки возможного уровня загрязнения вод акватории Одесского района веществами токсического действия, поступающими с речным стоком Днепра и Южного Буга в период весеннего половодья, а также с ливневыми стоками города летом [1, 4]. В частности установлено, что весной, за счет поступления нефтепродуктов с речным стоком, в Одесском регионе СЗЧМ формируются их фоновые концентрации порядка 5 - 10 мкг/л, что составляет 10 – 20 % от величины ПДК.

Потенциальные возможности использования модели эвтрофикации для определения стратегии управления качеством вод Придунайских озер, с учетом возможных изменений их продуктивности и трофического статуса, продемонстрированы в работе [5] на примере системы озер Ялпуг-Кугурлуй. Результаты модельных расчетов для различных сценариев водопользования показали, что наиболее опасным для экосистемы водоема является его обмеление в маловодные годы, когда из-за низких уровней р.Дунай не удается наполнить водоем до НПУ. Падение уровня воды в летний период года сопровождается уменьшением содержания биогенных веществ и ростом концентрации как живого, так и косного органического вещества. Т.е. запасы биогенных веществ в водоеме трансформируются в запасы органического вещества. При этом опасность заключается в том, что это органическое вещество вследствие гравитационного осаждения депонируется в донных отложениях и на его биохимическое разложение расходуется содержащийся в воде кислород. При неблагоприятном стечении обстоятельств потребление кислорода на биохимическое разложение этого органического вещества может превысить его поступление за счет фотосинтеза и газообмена с атмосферой в течении достаточно длительного отрезка времени, что приведет к развитию гипоксии в придонных слоях воды. Такие условия могут сложиться, например, при отсутствии ветров в августе – сентябре, когда деструкция органического вещества фитопланктона превышает его продукцию, а в донных отложениях в течении лета накоплен большой запас косного органического вещества.

Концентрация органического вещества, образующегося в оз.Ялпуг-Кугурлуй в летний период года, зависит также от концентрации биогенных веществ в водах реки Дунай в весенние месяцы, когда имеет место их поступление в водоем в больших объемах. Численные эксперименты с моделью показали, что высокое содержание биогенных веществ в водах р.Дунай в период наполнения водоема влечет за собой более раннее цветение фитопланктона и усиление пика его биомассы в начале лета, когда биомасса зоопланктона еще не достигла тех значений, чтобы сдерживать рост фитопланктона.

Показано, что на трофическом статусе водоема положительно сказывается забор воды на орошение полей либо сброс вод в р.Дунай в период цветения фитопланктона в августе - начале сентября, т.к. при этом изымается из водоема образовавшееся органическое вещество. Тем самым уменьшается его количество, депонируемое в донных отложениях, и уменьшается риск возникновения гипоксии.

Следовательно, управление качеством вод оз.Ялпуг-Кугурлуй возможно путем регулирования поступления в водоем вод р.Дунай весной, в зависимости от концентрации в них биогенных веществ, и путем изъятия вод с повышенным содержанием органического вещества в августе - начале сентября.

Приведенные примеры свидетельствуют, что численные математические модели формирования качества вод могут эффективно использоваться для определения оптимальной стратегии управления качеством вод шельфовых морских и озерных экосистем, подверженных сильной антропогенной нагрузке.

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. Гопченко Е.Д., Тучковенко Ю.С., Сербов Н.Г., Бузиян Г.Д. Стабилизация гидрологического и гидрохимического режимов Тузловских лиманов путем регулирования водообмена с морем // Вісник ОДЕКУ. – Київ: КНТ, ОДЕКУ.- 2005.- Вип.1. - С. 187 - 194.

3. Тучковенко Ю.С., Сапко О.Ю. Эвтрофирование вод Одесского региона северо-западной части Черного моря береговыми источниками загрязнения // Вісник ОДЕКУ. – Київ: КНТ, ОДЕКУ.- 2005.- Вип.1. - С. 195 - 205.

4. Тучковенко Ю.С., Сапко О.Ю. Влияние ливневого стока на загрязнение прибрежной зоны г. Одессы // Екологічні проблеми Чорного моря: Зб. Матеріалів до 6-го Міжнар. Симпозіуму. - Одеса: ОЦНТЕІ. - 2004.- С. 446-450.

5. Гопченко Е. Д., Тучковенко Ю. С. Математическая модель эвтрофикации Придунайских озер // Гидробиологический журнал. - Киев: НАН Украины, Ин-т гидробиологии.- 2005.- Т. 41, № 1. - С. 92 - 105.

Нет пока ответов

Комментарии закрыты.