Влияние режима поступления биогенных элементов на функционирование экосистемы проточного водоема

Котловина Ладожского озера представляет собой сбросовую впадину, дно которой расположено ниже уровня моря. В четвертичный период она подвергалась действию оледенения, причем наиболее значительные изменения произошли в северной части, где ледником были выработаны многочисленные узкие заливы.

Ладожское озеро может рассматриваться как остаточный (реликтовый) водоем, поскольку в конце ледниковой эпохи, в период более высокого стояния уровня, на его месте располагались последовательно Иолдиевое, Анциловое и Литториновое моря.

Котловина озера довольно четко делится на две части: северную - более глубокую (до 225 м), с неровным дном, изрытым многочисленными желобами и ямами, и южную - с глубинами, не превосходящими 40 м, и ровным дном. Емкость котловины около 900 км³. Северный берег озера высокий, скалистый, изрезанный глубоко вдающимися в сушу заливами. Южный берег низкий и пологий; он образует обширные заливы, носящие название губ (Шлиссельбургская, Свирская и Волховская губы).

Острова, числом до 500, расположены главным образом в северной части озера; наибольшим из них является остров Валаам. В западной части озера расположен остров Коневец. В южной половине встречаются лишь небольшие островки-мели. К их числу относится остров Сухо, представляющий собой небольшой искусственный островок размером примерно 50х50 м, на котором расположены маяк и гидрометеорологическая станция.

Уровень озера в течение года колеблется в пределах 50-70 см. Многолетняя амплитуда колебания уровня достигает 2.9 м. Наивысший уровень отмечается в июне. На озере часто наблюдается волнение; высота волны достигает 2 м и более.

Течения в Ладожском озере преимущественно ветровые (дрейфовые), прежние утверждения о наличии в нем якобы постоянного кругового течения исследованиями Государственного гидрологического института (1930-1932) не подтвердились. В Волховской, Свирской и других губах отмечаются более или менее постоянные течения, вызываемые притоком речных вод.

Термический режим озера своеобразен. Его южная часть в летние периоды очень сильно прогревается, причем температура воды у берегов достигает 24°, а в центральной части - до 18-20°. Северная глубоководная часть водоема менее прогревается, поэтому температура воды на поверхности не превышает 15-17°.

На глубине 10-15 м от поверхности воды расположен слой скачка, т. е. слой резкого понижения температуры воды. На глубине 15-18 м температура летом составляет 4-4.5°, в придонных слоях зимой она понижается до 1-2°. Прозрачность воды мала и даже в открытой части озера не превышает 4.5-5.0 м. В массе вода имеет коричнево-зеленоватый оттенок, который придают ей болотные воды, приносимые реками. Осенью озеро медленно остывает. В ноябре замерзают его мелководные заливы, затем появляется береговой припай, который, расширяясь, захватывает открытую часть озера. Процесс замерзания озера затягивается до января. Центральная, наиболее глубоководная часть замерзает в январе-феврале, и то лишь в суровые зимы.

Очищение озера ото льда происходит значительно позднее по сравнению с реками, обычно лед держится до первой половины мая.

Ладожское озеро регулирует сток Невы и имеет большое транспортное значение; оно является важным звеном в системе Беломорско-Балтайского и Волго-Балтийского водных путей. Вдоль его южного побережья для безопасности плавания проложены два канала: Староладожский, постройка его начата еще при Петре I (1719-1731), и параллельный ему, более глубокий Ново-Ладожский, прорытый в 1861-1866 годах при реконструкции Мариинской системы. Велико также значение озера для рыбного хозяйства страны.

Онежское озеро второе по величине озеро Европы. По площади, равной 9900 км², оно занимает шестое место среди больших озер бывшего СССР. Максимальная глубина его не превышает 120 м. Главнейшие притоки Онежского озера - Шуя, Суна и Водла, вытекает из него река Свирь.

Котловина озера тектонического происхождения; она в значительной мере была переформирована в результате деятельности ледника. Особенно заметно влияние работы ледников в северной ее части, которая отличается изрезанностью береговой линии: здесь имеется много глубоко вдающихся в сушу узких заливов, вытянутых с северо-запада на юго-восток, т. е. в направлении движения ледника.

Рельеф озерного ложа отличается сложным строением и крайней неравномерностью распределения глубин. Этим Онежское озеро, так же как и Ладожское, резко выделяется среди других больших озер мира. Примерно по линии Петрозаводск - устье Водлы озерная котловина делится на две резко различные части: северную и южную. Южная часть ее имеет ровный рельеф дна и сравнительно небольшие глубины. Здесь в свою очередь можно выделить несколько морфологически обособленных частей: Свирская губа, Свирское Онего, Южное Онего, Центральное Онего.

Северная часть котловины озера отличается чрезвычайно резкими колебаниями глубин, наличием многочисленных длинных и глубоких впадин или ям, разделенных повышенными участками дна. Большое число мелей, мысов, островов и заливов придает этой части озера шхерный характер. Отдельные части озера носят самостоятельные названия: Большое Онего, Петрозаводская губа, Кондопожский залив, Лижемская губа и т д. Самая большая губа северной части озера - Повенецкая, она имеет длину около 100 км.

Северный берег скалистый, а южный, восточный и западный берега большею частью образованы цепью песчаных дюн, достигающих местами высоты 15-18 м, за которыми иногда располагаются болота. Вся глубоководная часть озерной котловины выполнена светло-серо-зелеными илами, а мелкие прибрежные части озера - леском, галькой и валунами.

Амплитуда колебания уровня озера невелика и составляет 50-55 см в год; ее многолетние значения равны 1,8-19 м к зависимости от характера погоды в том или ином году наблюдается разный тип годового хода уровня воды, однако большей частью ход уровня соответствует типу режима с отчетливо выраженным, хотя и невысоким весенним половодьем. В вековом ходе уровня озера замечается определенная цикличность хорошо согласующаяся с ходом атмосферных осадков.

Интересно отметить, что на Онежском озере инженером Стабровским еще в 1854 году, впервые в России, были зафиксированы сейши. Это было сделано за много лет до того, как сейши Женевского озера стали изучаться Форелем. Водный баланс Онежского озера в среднем за многолетний период (1887-1939) по расчетам, произведенным 3.А. Викулиной характеризуется следующими данными:

1. Элементы прихода:

- осадки 476 мм;

- поверхностный приток 1617 мм;

- итого 2093 мм.

2. Элементы расхода:

- сток 1848 мм;

- испарение 245 мм;

- итого 2093 мм.

Прозрачность воды озера сравнительно невелика, меньше чем в Ладожском озере. Белый диск, опущенный в воду, перестает быть видимым обычно на глубине 4 м. Вода озера в массе имеет слегка коричневатую окраску вследствие большого притока болотных вод; ее минерализация очень слабая и составляет 30-40 мг/л, а жесткость - не более 1 немецкого градуса. Наибольших значений (17°) температура воды достигает в августе; в придонных слоях даже в самые жаркие периоды температура не выше 4°. В теплую часть года слой скачка хорошо выражен и находится на глубине 20-25 м.

Процесс замерзания Онежского озера начинается с прибрежных мелководных частей и постепенно захватывает центральные глубоководные районы, покрывающиеся льдом значительно позднее вследствие большого запаса тепла в воде и волнения; этот процесс длится около 1,5-2 месяцев - от середины ноября до конца января. Очищение озера ото льда начинается в южной части водоема в середине или в конце апреля. Большая часть озера вскрывается в первой декаде мая, а центральная часть - в середине этого месяца. Онежское озеро входит в состав Беломорско-Балтийского водного пути и является регулятором стока Свири, водная энергия которой используется в гидроэнергетических целях [15].

водный озерный биогенный экосистема



Глава 5. Имитационное моделирование водных экосистем

5.1 Основные этапы имитационного моделирования водной экосистемы

Конструирование и реализация имитационной модели состоит из нескольких этапов, отражающих основную схему дедуктивного пути познания. Эти этапы изображены на рисунке 1 [16].

I этап. Сбор, изучение и занесение в базу данных информации о компонентах экосистемы водоема и ее современном состоянии.

II этап. Формулировка вербальной модели. На основе изучения данных экологического мониторинга и литературных данных формируется идеальный (мысленный) образ реальной экосистемы. При этом используются как индуктивный, так и дедуктивный методы познания. Конкретный вид вербальной модели представляет собой объединение теоретических концепций с эмпирическими данными.

III этап. Организация и проведение специальных экспедиционных и лабораторных исследований. Проведение специальных натурных и лабораторных исследований обусловлено специфическими требованиями к информации, необходимой для моделирования экосистемы.

IV этап. Конструирование имитационной модели экосистемы. На этом этапе осуществляется математическая формализация вербальной модели, составляется алгоритм решения задачи. Алгоритмом называется совокупность формул и правил, определяющая последовательность решения задачи и потоки входящей, внутренней и выходящей информации при ее решении.

На этапе алгоритмической реализации определяется вид системы уравнений модели. Принимается ряд гипотез, упрощающих решение исходной системы уравнений. Процедура алгоритмической реализации включает в себя также окончательный выбор сеточной области моделирования и определение вида краевых условий на границах области моделирования.

При алгоритмической реализации модели осуществляются дискретизация непрерывных операторов и выбор численных методов интегрирования дифференциальных уравнений. Системы дифференциальных уравнений моделей отличаются высоким порядком и большой сложностью. Это, как правило, системы уравнений с сильными нелинейностями. Моделирование сводится к решению краевых задач для двух, трех или четырехмерной пространственно-временной области произвольной конфигурации. Аналитического решения такие задачи не имеют. Численные методы их решения нуждаются в апробации.

Важнейшей процедурой при конструировании имитационной модели является определение способов описания скоростей обменных процессов в экосистеме. Связи и взаимодействия биологических компонентов между собой и с окружающей средой нелинейны. Очень часто они описываются степенными или экспоненциальными функциональными зависимостями.

V этап. Имитационное моделирование на ЭВМ. Этот этап предполагает перевод алгоритма модели на какой-либо из языков автоматического программирования, а затем - на машинный язык конкретной ЭВМ. На этом этапе отрабатываются также процедуры задания входной и анализа выходной информации модели.

VI этап. Испытание модели. Процесс моделирования по своей сущности предполагает многократное решение задачи с целью определения влияния различных факторов на поведение экосистемы. При моделировании систем, функционирующих в пространстве и времени, исследователь вынужден оперировать с огромным объемом фактической информации, необходимой для задания начальных и граничных условий задачи. Несоизмеримо больший объем цифровой информации о поведении системы поступает в распоряжение исследователя в процессе моделирования на ЭВМ.

Процессы задания входной и анализа выходной информации перерастают в самостоятельные проблемы. Их решение невозможно без использования ГИС-технологий. На данном этапе осуществляется также оптимизация параметров модели и проводится проверка ее работоспособности по ряду критериев [14].

5.2 Описание имитационной модели экосистемы проточного водоема

Решение проблемы рационального использования природных ресурсов пресноводных водоемов, оценка последствий антропогенного воздействия на водные экосистемы и сохранение запасов чистой воды невозможно без построения и исследования, в той или иной форме, моделей водных экосистем. К наиболее современным методам математического моделирования можно отнести методы, основанные на концепции системной экологии, рассматривающей водоем как единое целое, и оценивающей все взаимосвязанные элементы экосистемы по степени их значимости.

Моделирование процессов, протекающих в водных экосистемах необходимо для прогнозирования состояния экосистем при различных соотношениях биотических, абиотических компонент внутри системы и антропогенного влияния различной степени. Традиционный путь построения математической модели сложного объекта заключается в записи системы дифференциальных уравнений, описывающих поведение объекта, с последующим решением этой системы при различных начальных и граничных условиях. К сожалению, экологические закономерности носят в основном эмпирический характер и во многом неопределены и недостаточно изучены. Поэтому использование математических моделей на практике оказывается затруднительным из-за многочисленных предположений и допущений. Путь имитационного моделирования предполагает большую гибкость и свободу в способах описания природных зависимостей [8]. Наиболее общими понятиями имитационного моделирования являются определения, данные Н.Н. Моисеевым и Г.С. Розенбергом, суть которых сводится к следующему [2]. Имитационная модель - это модель, построенная «на пределе» коллективных знаний о природной системе, отражающая современный уровень развития целого комплекса естественных наук. Имитационные модели призваны воспроизводить в ЭВМ эколого-физиологические особенности популяций и сообществ живых организмов, кинетику обменных процессов в живом и косном веществе. Они должны в определенном смысле замещать природные системы так, чтобы их изучение давало новую информацию о природных объектах. Хотя резкую границу между математическим и имитационным моделированием провести достаточно трудно. В выборе имитационного подхода не последнюю роль играет низкая точность гидробиологических данных и зависимостей.

Построение модели водной экосистемы представляет собой средство для решения той или иной гидробиологической или лимнологической задачи. Имитационные модели обычно формулируются в виде систем обыкновенных дифференциальных уравнений или уравнений в частных производных. При этом в зависимости от постановки задачи и используемого математического аппарата различают три класса имитационных моделей: точечные, блочные и непрерывные. Если, исходя из условий задачи и специфики водоема, можно не учитывать неоднородность характеристик по глубине и акватории водоема, то модель называется точечной, и пространственная структура отсутствует. В общем случае пространственной неоднородностью водной экосистемы пренебрегать нельзя. В связи с этим вводится понятие ячейки, т.е. такого объема воды, в котором распределение всех характеристик экосистемы полагается равномерным и может быть заменено средними величинами. Взаимное расположение ячеек определяет структуру водной экосистемы: вертикальная или пространственная структура, последняя в свою очередь может быть блочной или непрерывной. Непрерывные имитационные модели водных экосистем базируются на идеях, развитых в теории сплошных сред, а точнее на тех разделах этой теории, которые посвящены изучению движения многокомпонентных неконсервативных смесей.

Процессы, которые происходят внутри ячейки, называются процессами преобразования веществ, а процессы, в которых участвуют соседние ячейки- процессами обмена между ячейками. Состояние ячейки и всей экосистемы определяется набором компонент. В качестве компонент обычно выбираются биомассы гидробионтов, концентрации растворенных и взвешенных веществ.

Необходимо отметить, что при моделировании каждого конкретного водоема далеко не всегда проводятся экспериментальные исследования, большинство функциональных зависимостей интенсивностей обменных процессов, полученных различными авторами в разные годы и для разных водоемов, либо считаются универсальными, если они не противоречат друг другу, либо одной из них отдается предпочтение на основании интуитивных соображений.

Основной подход к созданию имитационных моделей многокомпонентных экосистем на базе теории сплошной среды был сформулирован в 1972 году Ю.Н. Сергеевым. В 1974 году создана четырехмерная пространственно-неоднородная модель водной экологической системы. На модели осуществлена имитация весенне-летнего цикла развития пелагической экосистемы Северного моря.

В середине 80-х годов была разработана и реализована на ЭВМ имитационная модель экосистемы озера Ильмень. Пространственно-неоднородная по горизонтали модель водной экосистемы озера учитывала одновременно круговорот углерода, азота, фосфора и динамику кислорода в водной среде, а также механический перенос субстанций течениями и турбулентную диффузию. В модели была использована многофакторная зависимость лимитации первичного биосинтеза различными факторами среды.

В 1983-1985 годы В.Ю. Третьяков работал над созданием математической модели водно-донной экосистемы Невской губы. В период с 1990 по 1992 годы в НИИ географии была создана пространственно-неоднородная трехмерная модель экосистемы Невской губы и прилегающей акватории Финского залива. Модель имитирует экосистему эстуария в условиях строительства и эксплуатации сооружений по защите г. Санкт-Петербурга от наводнений и изменения объема и состава сбрасываемых сточных вод.

Рассматриваемая в данной работе модель абстрактной экосистемы проточного водоема, типичного для Северо-Западного региона России, была разработана моим научным руководителем В.Ю. Третьяковым в 2000-2001 годах. Основой для разработки данной модели послужила резервуарная двухбоксовая имитационная модель водной экосистемы пролива Бьеркезунд, которая, в свою очередь, была разработана на основе имитационной модели экосистемы озера Ильмень и его поймы. Представленная в настоящей работе математическая модель предназначена для имитации воздействия токсических веществ на функционирование экосистемы проточного водоема. Модель имеет двухслойную вертикальную структуру, представленную эпилимнионом, где продуцирует фитопланктон, и гиполимнионом, включающим придонные слои воды, активный слой ила и зообентос. На данном этапе модель работает с переменным в течение года расходом и уровнем воды в водоеме.

Модель представляет собой систему из 103 нелинейных дифференциальных уравнений. Искомыми функциями решаемой системы уравнений являются: несколько групп фитопланктона и зоопланктона; рыбы прошлолетки и сеголетки; олигохеты и моллюски; детрит, минеральная взвесь, взвешенное органическое вещество; растворенные органические углерод, азот, фосфор (C, N, P); совокупное вещество растворенной органики без C, N, P; растворенные азот аммония, нитритов, нитратов; фосфор фосфатов; растворенные кислород и углерод углекислого газа, а также содержание токсических веществ в воде и в организмах гидробионтов. Экологическими факторами, обусловливающими поведение системы, служат: внутригодовой ход температур воды верхнего и нижнего слоя, интенсивность солнечной радиации, атмосферное давление, скорость ветра; значения концентраций субстанций: планктона, детрита, органического вещества, минеральных форм азота и фосфора, взвеси, растворенных кислорода и углекислого газа, сроки и особенности нереста рыб и другие факторы. В модели параметризированы основные эколого-физиологические и физико-механические процессы.

Модель основана на следующих допущениях: объем водной массы экосистемы и уровень в водоеме изменяются в течение года согласно внутригодовой изменчивости стока речных вод, характерной для Северо-Западного региона России; между слоями происходит водообмен, интенсивность которого рассчитывается в зависимости от величины турбулентной диффузии; с атмосферой происходит газообмен кислородом и углекислым газом; взвешенные субстанции осаждаются на дно. При моделировании имитируются следующие процессы в водной толще: биосинтез фитопланктона, поглощение при этом из воды СО2, биогенов и выделение О2; дыхательно-выделительные процессы фито, зоо- и бактериопланктона, включающие деструкцию тканей организмов при обмене веществ, поглощение О2, выделение СО2 и экскретов; бактериальная деструкция детрита, прирост массы разлагающего детрит бактериопланктона, поступление при этом в воду растворенного органического вещества (РОВ); минерализация РОВ, NH4 и NO2, расходование при этом О2; процессы, связанные с питанием зоопланктона; отмирание организмов. В слое гиполимниона также имитируется воздействие бентосного сообщества на компоненты водной экосистемы, а также взмучивание донных илов.

В связи с тем, что данная модель ориентирована на изучение экосистем проточных водоемов, характерных для Северо-Западного региона России, значения внешних физических параметров, таких как температура, солнечная радиация, давление, приняты типичными для Северо-Запада. Значения компонент биогенных элементов и органики приняты средними для рек бассейна озера Ильмень (Мста, Ловать, Пола, Полисть). Значения постоянных коэффициентов, используемых при моделировании, соответствуют значениям этих коэффициентов, принятых при моделировании экосистемы пролива Бьеркезунд [14]. Характеристики водообмена, глубины водоема, режимы проточности характеризуют наиболее распространенные типы озер Северо-Западного региона России.

Двухрезервуарная модель водной экосистемы имеет вид:

dci(1)/dt = цi(1)(c1(1), c2(1),…, c15(1); t(1), I0(1), Pa, W,…)+шi (1)( c1(2),

c2(2),…, c15(2); t(2), W,…) (1.1)

dci(2)/dt = цi(2)(c1(2), c2(2),…, c15(2); t(2), I0(2), Pa, W,…)+шi (2)( c1(1),

c2(1),…, c15(1); t(1), W,…), (1.2)

где (c1(1), c2(1),…, c15(1)) = (F(1), Z(1), B(1), DL(1), DC(1), C(1), N(1),

P(1), NH4(1), NO2(1), NO3(1), PO4(1), CO2(1), O2(1), X(1));

(c1(2), c2(2),…, c15(2)) = (F(2), Z(2), B(2), DL(2), DC(2), C(2), N(2), P(2),

NH4(2), NO2(2), NO3(2), PO4(2), CO2(2), O2(2), X(2))

- вектор-функции биоценоза и биотопа верхнего и нижнего слоев водоема.

Функции цi(1) и цi(2) описывают химико-биологические превращения вещества в экосистеме, а функции шi (1) и шi (2) - процессы переноса вещества, обусловленные вертикальной диффузией компонентов и гравитационным осаждением взвешенных субстанций. Надстрочные индексы при компонентах и функциях указывают на их принадлежность к верхнему и нижнему слоям:

t - температура воды;

I0 - освещенность;

Pa - атмосферное давление;

W - скорость ветра;

F - сухая биомасса суммарного фитопланктона (в мг сух. веса/л);

Z - сухая биомасса суммарного зоопланктона (в мг сух. веса/л);

B - суммарный бактериопланктон, осуществляющий ферментативный гидролиз детрита (бактерии-сапротрофы) (в мг сух. веса/л);

DL - детрит лабильный - взвешенное в воде неживое органическое вещество, подверженное активному бактериальному гидролизу (в мг сух. веса/л);

DC- детрит стойкий - взвешенное в воде неживое органическое вещество, в меньшей степени подверженное бактериальному гидролизу (водный гумус) (в мг сух. веса/л);

С - углерод, входящий в состав растворенных в воде органических веществ (мгС/л);

N - азот, входящий в состав растворенных в воде органических веществ (мгN /л);

P - фосфор, входящий в состав растворенных в воде органических веществ (мгP /л);

NH4 - аммонийный азот растворенных в воде минеральных веществ (мгN-NH4 /л);

NO2 - нитритный азот растворенных в воде минеральных веществ (мгN-NO2 /л);

NO3- нитратный азот растворенных в воде минеральных веществ (мгN-NO3 /л);

PO4 - фосфор растворенных в воде минеральных веществ (мгP-PO4 /л);

X - вещество сухого остатка, содержащееся в воде в растворенном состоянии, не включающее в себя углерод, азот и фосфор, но составляющие вместе с ними сухой вес компонентов биоценоза и детрита (мгX /л);

CO2 - углерод, содержащийся в растворенной воде двуокиси углерода (мгС-СO2/л);

O2 - растворенный в воде молекулярный кислород (мгО/л);

Моделирование сводится к решению задачи Коши для систем уравнений (1.1), (1.2). Задача Коши ставится следующим образом. Среди всех решений системы требуется найти решение, удовлетворяющее начальным условиям:

c1t = 0 = c1(0), c2t = 0 = c2(0), …, crt = 0 = cr(0),

где c1(0), c2(0), …, cr(0) - заданные значения биомасс и концентраций компонент.

В имитационной модели для расчетов используется метод Рунге-Кутты четвертого порядка. Метод Рунге-Кутты является семейством численных алгоритмов решения обыкновенных дифференциальных уравнений и их систем.

Формально, методом Рунге-Кутты является модифицированный и исправленный метод Эйлера, они представляют собой схемы второго порядка точности. Наиболее часто используется стандартная схема четвёртого порядка.

Схема расчета по методу Рунге-Кутты, имеющая четвертый порядок аппроксимации представляет собой систему уравнений:

(1.3)

Таким образом, используемая для проведения экспериментов модель «Экотокс» полностью удовлетворяет поставленным в данном исследовании задачам, обладая обширным функционалом учета и расчёта параметров моделируемой экосистемы.



Глава 6. Параметры моделируемого водоема

6.1 Исходные данные для численных экспериментов с моделью

В данной квалификационной работе для исследования функционирования экосистемы проточного водоема была использована имитационная модель «ЭкоТокс», разработанная В.Ю. Третьяковым. Данная модель ориентирована на изучение водоемов, характерных для Северо-Западного региона России. В качестве внешних физических параметров абстрактного водоема (температура воды, количество солнечной радиации, давление) были приняты типичными для рассматриваемого региона [12]. Значения постоянных коэффициентов соответствуют таковым, которые приняты при моделировании экосистемы пролива Бьеркезунд [17].

Характеристики водообмена, глубины водоема, режима проточности заданы в соответствии с [20,7], а также на основании электронного справочника «Озера России», представленного на официальном сайте Института озероведения, и характеризуют наиболее распространенные типы озер Северо-Западного региона России.

В качестве входных данных о содержании биогенных элементов в речной воде и расходах, впадающих в моделируемый водоем рек, использовались данные накопленные за длительный период мониторинга за химическим составом речного стока и уровнем воды на постах Федеральной службы по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды, подготовленные Д.Е. Селезневым и обобщенные согласно методике, описанной в [18].

Подразделение водосборов на группы выполнено по сходству их пространственных характеристик и соответственно географическому положению. Реки были обобщены в 4 группы: Северная, Центральная, Южная и Карельская. В нашем случае в эталонном варианте используются данные южной группы рек. Основополагающим признаком классификации была принята принадлежность к одной ландшафтной провинции. В таблице 4 приведены морфометрические характеристики абстрактного водоема, использованные при моделировании.

Таблица 9

Морфометрические характеристики

Характеристика	Значение
Объем, км3	0,1
Коэффициент условного водообмена	4
Максимальная глубина водоема, м	8

6.2 Абиотические компоненты. Биотические компоненты

Данные о содержании в воде абиотических компонентов основаны на результатах многолетних наблюдений водоемов Северо-Запада России [14], а также по материалам Ресурсов поверхностных вод СССР и представлены в таблице 10.

Таблица 10

Исходные данные о содержании абиотических компонентов в воде на начало моделируемого периода (1 января)

Компонент	Концентрация
Детрит, мг/л	1,59*10-1
Растворенный органический углерод, мг/л	1,26*100
Растворенный органический азот, мг/л	2,58*10-2
Растворенный органический фосфор, мг/л	1,74*10-1
Азот аммония, мг/л	8,97*10-2
Азот нитратов, мг/л	2,27*100
Азот нитритов, мг/л	2,28*10-2
Фосфор фосфатов, мг/л	2,58*10-2
Концентрация растворенного CO2, мг/л	8,58*10-2
Концентрация растворенного O2, мг/л	9,06*100
Донный ил, г/м2	1,00*102



Данные о содержании в воде фито- и зоопланктона, моллюсков и олигохет основаны на результатах многолетних наблюдений водоемов Северо-Запада России [14] и представлены в таблице 11.

Таблица 11

Исходные данные о содержании биотических компонентов в воде на начало моделируемого периода (1 января)

Компонент	Концентрация
Фитопланктон - диатомовые водоросли, мг/л	5,43*10-2
Фитопланктон - сине-зеленые водоросли, мг/л	2,76*10-2
Фитопланктон - зеленые водоросли, мг/л	1,31*10-1
Зоопланктон растительноядный, мг/л	1,86*10-4
Зоопланктон хищный, мг/л	1,72*10-4
Двустворчатые моллюски, г/м2	6,57*10-2
Олигохеты, г/м2	1,00*100

6.3 Результаты численных экспериментов

В рамках исследования особенностей отклика экосистемы проточного водоема на изменение притока биогенных элементов был выполнен ряд численных экспериментов с моделью. В ходе эксперимента сравниваются внутригодовые динамики содержания биогенных элементов и органики. В соответствии с работой Д.Е. Селезнева [11], в качестве эталона принята южная группа рек российской части водосбора Финского залива (реки Кунья, Синяя, Сороть, Шарья). Выбор данных по этим рекам обусловлен тем, что антропогенная составляющая биогенного стока в этих реках практически отсутствует. Сравнения ведутся с рекой Великая, протекающей в западной части территории Псковской области, относящейся к бассейну Балтийского моря, бассейну Чудско-Псковского озера и бассейну реки Нарва. Пост мониторинга находится возле города Пскова ниже по течению, что обуславливает более сильную антропогенную нагрузку. Значения остальных параметров модели и динамик внешних экологических факторов оставались неизменными, характерными для Северо-Западного региона России. Результаты экспериментов приведены в графической форме на рисунках 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12.

На рисунке 3 приведена динамика диатомовых водорослей, отмечаются два пика биомассы весенний и менее интенсивный осенний. Постепенное возрастание биомассы диатомовых водорослей начинается с марта, достигая максимума в начале апреля. Биомасса увеличивается у южной группы рек с 0,2 мг.сух. вес/л до 1,8 мг.сух. вес/л. Биомасса реки Великая увеличивается с 0,2 мг.сух. вес/л до 1,9 мг.сух. вес/л. В осеннем пике развития биомасса у реки Великая достигает 0,65 мг.сух. вес/л. У южной группы рек 0,3 мг.сух. вес/л. В целом сезонная динамика диатомовых водорослей совпадает. Наибольшее развитие биомассы диатомовых водорослей происходит при поступлении биогенных элементов. Осенний пик наблюдается только у диатомовых водорослей, что обусловлено наименьшей оптимальной температурой из трех таксономических групп, и вызван поступлением минеральных веществ при разложении органических остатков. Диатомовые водоросли преобладают по биомассе над сине-зелеными и остальными.

Рисунок 3. Сезонная динамика диатомовых водорослей

На рисунке 4 приведена годовая динамика биомассы сине-зеленых водорослей для южной группы рек и реки Великая с различным содержанием биогенных элементов. Начиная с середины июня, постепенно возрастает численность сине-зеленых водорослей, доходя до максимума в конце июля. За этот период активного роста биомасса сине-зеленых водорослей у реки Великая возрастает в 5,3 раза. У южной группы рек в 5 раз. Наибольшая биомасса водорослей отмечается при имитации внутригодовой динамики поступления биогенных элементов у реки Великая, но разница с эталонным вариантом незначительна. При интенсификации бактериального разложения высвобождаются биогенные элементы в минеральной форме, и начинается вспышка развития биомассы до значений более 1мг сух.вес/л. Затем следует сокращение биомассы до начального уровня, что вызвано истощением минерального питания.

Рисунок 4. Динамика биомассы сине-зеленых водорослей

Динамика биомассы группы остальных водорослей приведена на рисунке 5. С апреля по май отмечается резкое увеличение биомассы, с последующим резким снижением, затем происходит повторное увеличение биомассы. В период с июля по октябрь отмечается незначительное колебание биомассы около 0,05-0,15 мг. сух. вес/л. Наибольшие значения биомассы водорослей 0,7-0,78 мг. сух. вес/л практически полностью совпадают между эталонным вариантом и рекой Великая.

На рисунке 6 представлена динамика биомассы суммарного фитопланктона в водоеме для южной группы рек и реки Великая. Наибольшее развитие биомассы суммарного фитопланктона отмечается при использовании динамик поступления биогенных элементов у реки Великая.



Рисунок 5. Сезонная динамика группы остальных водорослей

Среднегодовое значение биомассы составляет 0.720 мг сух. веса/л. У эталонного варианта 0.712 мг сух. веса/л. Начиная с апреля по конец мая происходит увеличение биомассы суммарного фитопланктона в 5 раз. В целом динамики биомассы между рекой Великая и южной группой рек совпадают. С середины июня по октябрь отмечается флуктуация биомассы около 1,2 мг сух. веса/л. Незначительное увеличение происходит только в середине октября и биомасса у реки Великая увеличивается на 0,4 мг сух. веса/л.

Рисунок 6. Сезонная динамика фитопланктона

На рисунке 7 приведена динамика содержания суммарного азота в водах реки Великой и южной группе рек. Видно, что на начало периода роста суммарной биомассы фито-планктона концентрации суммарного азота в водах реки Великой незначительно превышают его концентрации в южной группе рек. Содержание фосфора фосфатов на момент начала активного роста биомассы суммарного фитопланктона в обоих вариантах одинаково (рисунок 8). Резкое повышение биомассы фитопланктона в середине июня при использовании внутригодовой динамики содержания биогенов в поступающих речных водах, соответствующей динамике содержания биогенов в водах реки Великой и южной группы рек совпадает со временем повышения концентрации фосфора фосфатов. В водах обоих вариантов в октябре отмечается повышение содержания суммарного азота и фосфора фосфатов, что способствует увеличению биомассы фитопланктона.

Рисунок 7. Динамика суммарного азота в речной воде реки Великая и эталонном варианте

На рисунках 9, 10 представлена динамика зоопланктона для стока реки Великая и южной группы рек.

На рисунке 9 представлена динамика биомассы растительноядного зоопланктона. Активный рост его биомассы начинается в конце мая, что связано с максимумом биомассы фитопланктона в этот период. Затем вслед за снижением биомассы фитопланктона происходит снижение биомассы растительноядного зоопланктона почти до исходного значения.



Рисунок 8. Динамика фосфора фосфатов в речной воде реки Великая и эталонном варианте

В июне начинается пик активного роста биомассы сине-зеленых водорослей и группы остальных водорослей, что приводит к росту биомассы растительноядного зоопланктона. Возрастание биомассы растительноядного зоопланктона в начале июня вызвано бурным ростом биомассы диатомовых водорослей, достигающей своего максимума к концу мая. Этот пик является максимальным во внутригодовой динамике биомассы растительноядного зоопланктона, поскольку основу его питания в этот период составляют диатомовые водоросли, которые преобладают по биомассе.

Начиная с конца июля биомасса растительноядного зоопланктона уменьшается, следующий её рост начинается с середины сентября. Осенний максимум биомассы приходится на середину октября. С конца августа биомасса растительноядного зоопланктона реки Великой начинает превышать концентрацию южной группы рек в среднем на 0,1 мг сух. вес/л. В целом, внутригодовая динамика биомассы растительноядного зоопланктона реки Великая и южной группы рек совпадает между собой, повторяя внутригодовую динамику суммарной биомассы фитопланктона с некоторой временной задержкой.

На рисунке 10 представлена динамика биомассы хищного зоопланктона. Имеется выраженный краткосрочный пик биомассы в начале июня, связанный с интенсивным ростом продуктивности экосистемы на уровнях продуцентов и первичных консументов (растительноядного зоопланктона).

Рисунок 9. Сезонная динамика растительноядного зоопланктона

В период с августа по сентябрь колебания значения биомассы хищного зоопланктона полностью повторяют динамику растительноядного зоопланктона. Концентрации биомассы в реке Великая превышает эталонный вариант в среднем на 0,03 мг сух. веса/л.

Рисунок 10. Сезонная динамика хищного зоопланктона

На рисунке 11 представлена динамика суммарной биомассы зоопланктона. Видны три максимума биомассы, наибольший приходится на начало июня, следующий наблюдается в конце июня, последняя вспышка развития происходит в сентябре. Наиболее интенсивный рост суммарной биомассы зоопланктона отмечается в начале мая, биомасса достигает 1 мг сух. веса/л. Средняя концентрация в реке Великая на период с июня по сентябрь составляет 0,31 мг сух. веса/л. Средняя концентрация южной группы рек составляет 0,27 мг сух. веса/л.



Рисунок 11. Сезонная динамика зоопланктона

На рисунке 12 представлена внутригодовая динамика биомассы бактериопланктона. Внутригодовая динамика практически совпадает с динамикой фитопланктона и зоопланктона. Во всех случаях отмечается интенсивный рост биомассы в мае, с последующим резким снижением. Внутригодовая динамика в реке Великая и южной группе рек идентичны.

Рисунок 12. Сезонная динамика содержания бактериопланктона



Заключение

В ходе выполнения данной квалификационной работы было проведено сравнение внутригодовых динамик содержания биогенных элементов и органики. В качестве эталона принята южная группа рек российской части водосбора Финского залива (реки Кунья, Синяя, Сороть, Шарья). Выбор данных по этим рекам обусловлен тем, что антропогенная составляющая биогенного стока в этих реках практически отсутствует. Сравнения ведутся с рекой Великая. На берегах реки Великой расположено три города: г. Опочка (220 км от устья), г. Остров (95 км от устья), г. Псков (18 км от устья). Данные для сравнения брались возле города Пскова ниже по течению. С помощью имитационной модели «Экотокс», разработанной научным руководителем - кандидатом географических наук, доцентом В.Ю. Третьяковым в процессе исследования был выполнен ряд численных экспериментов с моделью, воспроизводящих внутригодовую динамику биогенных элементов.

На основании результатов проведенных модельных экспериментов можно сделать следующие выводы об особенностях функционирования водной экосистемы в зависимости от влияния режима поступления биогенных элементов:

1. Внутригодовые динамики биомассы фитопланктона в экосистеме проточного водоёма при имитации обоих режимов поступления биогенных элементов, соответствующих внутригодовым динамикам содержания биогенных элементов в водах рек южной группы и реки Великой практически совпадает. Наблюдается незначительное превышение концентрации суммарного азота в водах озера при имитации поступления биогенов в соответствии с их осреднённой внутригодовой изменчивостью в реке Великой. Содержание фосфора фосфатов на момент начала активного роста биомассы суммарного фитопланктона в обоих вариантах одинаково.

2. Во всех численных экспериментах наблюдались два пика развития фитопланктона - весенне-летний и летне-осенний.

3. Содержание биогенных элементов сокращается к началу июня, что приводит к уменьшению биомассы фитопланктона, росту биомассы бактериопланктона.

4. Наблюдается увеличение биомассы фитопланктона осенью, связанное с поступлением биогенных элементов во время осеннего паводка.

5. Внутригодовая динамика биомассы растительноядного зоопланктона повторяет внутригодовую динамику суммарной биомассы фитопланктона с некоторой временной задержкой.

6. Внутригодовые динамики биомасс всех групп планктона при имитации поступления биогенов в случае отсутствия выраженного антропогенного воздействия и в условиях антропогенного эвтрофирования (при имитации стока биогенных элементов, соответствующего их концентрациям в устье реки Великой) различаются незначительно.



Список использованной литературы

1. Дедю И.И. Экологический энциклопедический словарь. Кишинев. 1990.

2. Дмитриев В.В. Диагностика и моделирование водных экосистем. СПб.: СПбГУ, 1995. - 215 с.

3. Методические указания к практикуму по моделированию круговорота вещества в водных экосистемах. Часть III. Составители: Дмитриев В.В., Третьяков В.Ю., Пряхина Г.В., Федорова И.В. СПб., 2010.

4. Дмитриев В.В., Фрумин Г.Т. Экологическое нормирование и устойчивость природных экосистем. - СПб., 2004, 294 с.

5. Экологические проблемы Северо-Запада России и пути их решения / под общ. ред. Инге-Вечтомова С.Г., Кондратьева К.Я., Фролова А.К. - СПб.: «Виктория-Специальная литература», 1997. - 527 с.

6. Китаев С.П. Основы лимнологии для гидробиологов и ихтиологов. Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 2007. - 395 с.

7. Малозёмова О.В. Морфометрическая характеристика озер в различных ландшафтах востока Ленинградской области.

8. Меншуткин В.В. Имитационное моделирование водных экологических систем. - СПб.: Наука, 1993. - 161 с.

9. Одум Ю. Основы экологии. М.: Мир, 1975.

10. Показеев К.В., Филатов Н.Н. Гидрофизика и экология озер. Том I. Гидрофизика. М.: Физический факультет МГУ, 2002.

11. Селезнев Д.Е. Особенности внутригодовой изменчивости естественного стока минеральных форм азота и фосфора с водосбора Финского залива [Электронный ресурс]: Современные проблемы науки и образования. - Электрон. журн. - 2014

12. Экосистема озера Ильмень и его поймы / Ред. Ю.Н.Сергеев. - СПб.: СПбГУ, 1997. - 274 с.

13. Сергеев Ю.Н., Кулеш В.П., Дмитриев В.В. и др. Экосистема озера Ильмень и его поймы. СПб.: Издат. СПбГУ, 1997.

14. Сергеев Ю.Н., Сулин Л.. Модели водных экосистем. Имитация антропогенного эвтрофирования водоемов. СПб.: Изд. «ГеоГраф», 2005.

15. Гидрография СССР. А.А.Соколов. Гидрометеоиздат., Л., 1952 Классический труд по гидрологии поверхностных вод СССР. Часть II. Гидрография естественно-исторических районов Советского Союза. Глава 17. Северо-западный район. Озера (Электронная версия из библиотеки А.А. Братцева).

16. Страшкраба М., Гнаук А. Пресноводные экосистемы. Математическое моделирование. М., 1989.

17. Третьяков В.Ю., Дмитриев В.В. Исследование возможных сценариев функционирования экосистемы пролива Бьеркезунд на имитационной модели / Экологические и метеорологические проблемы больших городов и промышленных зон. - СПб., 1999. С. 151-153.

18. Третьяков В.Ю., Шелутко В.А., Селезнев Д.Е. Методика формирования ансамблей внешних данных поступления биогенных элементов для моделирования состояния и функционирования водных экосистем.

19. Хендерсон Селлерс Б., Маркленд Х.Р. Умирающие озёра. Причины и контроль антропогенного эвтрофирования. Л: Гидрометеоиздат, 1990. 279 с.

20. Хобаладзе М.А. Пространственно-временные закономерности межгодовой изменчивости колебаний уровней воды озер Северо-Запада: автореферат дис. кандидата географических наук: 11.00.11 / Ин-т озероведения.

21. Энциклопедия кибернетики/ под ред. В.М. Глушкова, Киев, 1975.

Размещено на Allbest.ru