Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Международный опыт использования искусственных рифов 0
1.1.Инженерно-экологические предпосылки создания искусственных рифов 8
1.2. Использования искусственных рифов в разных странах 12
1.3. Экономические аспекты и эффективность использования искусственных рифов 19
1.4. Конструктивные материалы используемые при сооружении искусственных рифов 21
1.5. Экология сообществ искусственных рифов 30
1.6. Влияние искусственных экосистем на окружающую среду 33
Глава 2. Материалы и методы 38
2.1. Конструктивные характеристики и способ установки искусственного рифа в Северном Каспии 38
2.2. Характеристика методов исследований 46
Глава 3 Экологическое пространство Северного Каспия 51
3.1. Гидрологическая характеристика Северного Каспия 51
3.2. Гидрохимическая и микробиологическая характеристика Северного Каспия
3.2.1. Химический состав и степень загрязнения морской ,,-воды
3.2.2. Микробиологическая характеристика морских вод . 69
3.3. Планктон 71
3.4. Зообентос 74
3.5. Ихтиофауна 75
3.6. Воздействие нефтяного загрязнения на биоту моря 78
Глава 4. Особенности формирования сообществ на искусственных рифах в Северном Каспии 85
4.1 Токсикологические исследования материалов, применяемых для изготовления искусственных рифов 85
4.2. Структура и функционирование сообществ гидробионтов в районе искусственного рифа 87
4.3. Микробиологические исследования 104
4.4. Изучение влияния искусственных рифов на процессы самоочищения от нефтяного загрязнения в экспериментальных условиях 117
Заключение 123
Библиографический список использованной литературы 128
- Использования искусственных рифов в разных странах
- Конструктивные характеристики и способ установки искусственного рифа в Северном Каспии
- Микробиологическая характеристика морских вод .
Введение к работе
Актуальность темы. Создание искусственных рифов является одним из путей повышения биопродуктивности морских экосистем. Их установка способствует обогащению флоры и фауны, нагулу рыбы, в том числе молоди ценных промысловых рыб, полученной от искусственного разведения и выпущенной в море, созданию искусственных нерестилищ, а также интенсификации процессов естественной очистки морской воды организмами-фильтраторами от загрязнения.
Искусственными рифами называются экологически контрастные с естественным фоном сооружения. Существует проверенное многолетней практикой мнение, что создание искусственных рифов - адекватное природе хозяйственное и экологическое мероприятие, наиболее эффективное, экономичное средство экологической и рыбохозяйственной мелиорации морских акваторий. Искусственные рифы способны повышать биологическую емкость среды, они позволяют целенаправленно воздействовать на организацию экологического и поведенческого пространства гидробионтов и таким образом управлять их распределением. Использование искусственных рифов целесообразно в районах, где гидробионты сталкиваются со значительным дефицитом твердых, вертикально-выраженных субстратов для заселения, и поэтому не могут реализовать присущий им огромный потенциал колонизации новых субстратов и прироста биомассы.
Дно Каспийского моря на большей своей части имеет однообразный рельеф и внешне напоминает песчаную пустыню или полупустыню. Биологическая продуктивность таких биотопов ограниченна. Применение искусственных рифов позволяет значительно увеличить биомассу макрофитов, се-сильной и седиментарной фауны, ракообразных, повысить биомассу меро-планктона и тем самым заметно улучшить кормность вод для промысловых рыб. На рифовых поверхностях развиваются бактерии, водоросли и другие
5 организмы. Они также служат нерестовым субстратом для бычков, служащих кормом для ряда ценных промысловых рыб, и убежищем для многих беспозвоночных, образующих сообщества перифитона. Сукцессия гидробионтов на рифе достаточно быстро увеличивает биомассу органического вещества, регенерация которого дает необходимые для фотосинтеза минеральные соли и биогены. Значительно увеличивается скорость биологических процессов, что достигается путем формирования активных поверхностей в толще воды, где температура и насыщение кислородом значительно выше, чем в придонном горизонте. Это особенно актуально для районов Северного Каспия, с присущими ему зонами гипоксии.
Организмы-обрастатели на стадии меропланктона имеют многих кон-сументов, в частности личинок и мальков рыб. Значительная биомасса меропланктона, в сочетании с его высокой скоростью оборота и перманентностью поступления в окружающее искусственный риф пространство, позволяет прокормить значительное количество молоди рыб. Это весьма важно в связи с фактом инвазии в Каспий гребневика Mnemiopsis и его негативного воздействия на кормовой планктон.
В Каспийском море высокая эффективность гидротехнических сооружений в плане увеличения биологической продуктивности показана в работе ряда авторов (Беляева, Колмыков, Степанова, 1989; Лапшин и др., 1986; Сокольский, Колмыков,, 1990 и др.). Учитывая, что в настоящее время ведутся интенсивные работы по разведке нефтяных углеводородов в Северном Каспии, существует реальная опасность его загрязнения. Поэтому мы посчитали своевременным разработку конструкции рифа, который бы позволил усилить самоочищающую способность акватории моря в зоне установки нефтяных платформ и одновременно повысить биологическую продуктивность окружающей акватории, увеличить ее биологическое разнообразие.
Основной целью работы стала разработка интегральной системы защиты биологического разнообразия Каспийского моря от нефтяного загрязнения за счет увеличения его биопродуктивности.
В связи с этим были поставлены следующие задачи:
Дать оценку экологическому пространству Северного Каспия.
Изучить структуру и функционирование сообществ гидробионтов на искусственных рифах в условиях Северного Каспия;
Установить характер воздействия рифа на биопродуктивность Северного Каспия;
Определить роль рифовых конструкций в усилении самоочищающей способности моря;
Экспериментально выявить влияние искусственных рифов на скорость биодеградации нефти.
Научная новизна. Впервые разработана система интегральной защиты Каспийского моря от нефтяного загрязнения. Впервые в комплексе изучены микрофлора, фитопланктон, зоопланктон и бентос, а также биообрастания на рифах и в зоне их воздействия.
Теоретическая и практическая ценность работы. Материалы диссертационной работы легли в основу концепции Программы оздоровления экологической обстановки на лицензионном участке ООО «Каспийская нефтяная компания» в Северном Каспии. Приводимые данные по био- экологическим характеристикам конструкций коллекторов искусственного рифа являются теоретической основой инженерных расчетах конструкций.
Основные положения, выносимые на защиту. В настоящей работе защищается механизм формирования биоценоза на искусственных рифах, и материалы по оценке влияния системы защиты на самоочищающую способность Каспийского моря.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Работа изложена на 147 страницах компьютерного текста, содержит 28 таблиц и 39 иллюстраций, библиографический список использованной литературы содержит 169 наименований, из них 55 на иностранных языках.
Апробация работы и публикации. Основные результаты работы докладывались на: конференции «Охрана окружающей среды при освоении углеводородных ресурсов», г.Сочи, 30 сентября-5 октября 2003 года; международной научной конференции «Инновации в науке и образовании-2003», Калининград, 13-15 октября 2003 года; II Международной конференции «Человек и животные», Астрахань, 13-14 мая 2004 года. По теме диссертации опубликовано 14 научных работ.
Использования искусственных рифов в разных странах
Первый опыт строительства искусственных рифов в Японии датируется концом ХУ111 в. Слово, обозначающее искусственные рифы - "Tsuki iso" (сооруженная береговая скала) появилось с началом практики сбрасывания камней в воду в прибрежной полосе внутреннего моря Сето. В издававшемся в Японии в начале 20 века в журнале «Нихон Суйсан Хосай-си» было так описано начало применения искусственных рифов: «Один из первых искус 13 ственных рифов берет свое начало от принадлежащего рыбаку Р. Нисида из деревни Мандзай, провинция Цуна, судна для перевозки камней, которое затонуло в море в июне 1775 г. Случайно забросив в этом месте невод, он вытащил несколько тысяч морских окуней. Отправляясь впоследствии на это место изо дня в день, он продолжал вылавливать там много рыбы. Об этом узнали другие жители деревни и тоже стали ловить в этом месте рыбу. Однако поскольку ловить в одном месте сразу нескольким рыбакам было весьма затруднительно, они стали вести лов по очереди. Спустя 78 лет корпус судна сгнил и рассыпался, в связи с чем там не стало рыбы.
С первых лет 20-го столетия отмечалось немало случаев затопления наполненных камнями списанных судов, в частности, широкую известность получило превращение большого количества кораблей японского военно-морского флота в искусственные рифы в результате достижения договоренности о сокращении вооружений после первой мировой войны. Нечто подобное наблюдается и в последние десятилетия: в связи с введением 200-мильных экономических зон было осуществлено за счет государственных субсидий списание еще годных к эксплуатации судов, которые после снятия всего оборудования, во избежание загрязнения окружающей среды, были затоплены и превращены в искусственные рифы.
В 30-х годах 20-го столетия при сооружении искусственных рифов в Японии стали использовать в основном железобетонные изделия, поскольку бетону можно легко придать любую форму, а кроме того он долговечен. Поначалу это были изделия трапецевидной формы, впоследствии стали применяться также шестигранные пирамиды, изготовленные из столбов с квадратным сечением (размерами до 1 м, весом до 1 т).
С 1952 г. строительство таких сооружений стало финансироваться из государственных источников. Стержнем новой рыбохозяйственной. политики в Японии являются искусственные рифы. В 1954 г. появились модули "Junko Gyosho" (искусственный промысловый риф), обозначающий рифовые модули из бетона, либо другого прочного материала, в отличие от традиционных "Tsuki iso".
В мае 1974 г. парламентом и правительством Японии был принят «Закон об упорядочении и развитии прибрежного лова», предусматривающий расширение государственного финансирования прибрежного промысла и развития промысловых зон. Что касается материала, то кроме разрешенного ранее к использованию железобетона, стало возможным применять другие долговечные конструкции.
К настоящему времени произошло значительное расширение диапазона используемых материалов для изготовления искусственных рифов как в Японии, так и в других рифостроящих государствах (США, Франции, Австралии, Китае, Италии, Израиле, ЮАР). Поскольку законодательство позволяло пользоваться любыми долговечными конструкциями и материалами — металлопрокатом, лесоматериалом, пластмассами, автопокрышками, резко возросло разнообразие размеров, формы искусственных рифов и материалов, используемых при их сооружении.
В 70-х - 80-х годах искусственные рифы создаются в Италии, Франции, Испании, Китае, Австралии, Израиле, Индии, Великобритании, СССР, на Кубе и Ямайке, но далеко уступающие по масштабам развития Японии и США. В Китае к июню 1987 г. установлено более 20000 искусственных рифов объемом более 96000 м , занимающих площадь 54 км .
С 1952 г. стали создавать бетонные искусственные рифы почти на всем протяжении прибрежной полосы Японских островов. Их эффективность (количество рыбы, концентрирующейся в единице объема) в 2,0 - 2,5 раза выше, чем естественных рифов. Создание искусственных рифов на морском побережье на протяжении 5 тыс. км позволило увеличить вылов рыбы на 250 тыс.т.
США пытаются добиться тех же результатов более экономичными средствами. Считают, что правильно сконструированные и погруженные ис 15 кусственные рифы на основе различных громоздких отходов могут значительно улучшить условия для развития гидробионтов, обеспечить наличие промышленных банок, увеличить общую их биомассу. В настоящее время имеется более 600 типов искусственных рифов, собранных из корпусов старых судов, автопокрышек, бетонных обломков (Патин, 1983). Аналогичные работы проводятся во Франции, Испании, ФРГ, Италии, Великобритании, Швеции и других странах.
Первые искусственные рифы в США сооружены в конце XIX века (Stone, 1974). Большинство искусственных рифов в США сооружается частными фирмами, местными властями и меценатами с небольшим общим финансированием и скромными дотациями правительства (Stone, 1974, 1982). Основной акцент сделан, на использование отходов производства, отслуживших срок различных механизмов и труда добровольцев. Большинство таких рифов были предназначены для рекреационного рыболовства.
В 1985 г. Министерством торговли США совместно с различными Федеральными агентствами (National Marine Fisheries Service, U.S. Fish and Wildlife Service, Environmental Protection Agency, Minerals Management Service, U.S. Coast Guard, u.s. Army Corps of Engineering) разработан Национальный план искусственных рифов (National Artificial Reef Plan, 1985) на основании Национального акта улучшения рыболовства от 1984 г. Конгресс США признал в части 202 Акта, что «...должным образом сконструированные, изготовленные и установленные искусственные рифы... могут улучшить места обитания и разнообразие рыбных ресурсов, увеличить рекреационные и промысловые возможности рыболовства, увеличить рыбную продукцию, энергетическую эффективность рекреационного и промышленного рыболовства, содействовать прибрежной экономике».
Конструктивные характеристики и способ установки искусственного рифа в Северном Каспии
Экспериментальные исследования по изучению влияния искусственных рифов на интенсивность процессов самоочищения северокаспийских вод проводилось в мелководной части Северного Каспия в 2002- 2003 г.г.
С учетом результатов, исследований в 2002 году, в 2003 г. были изготовлены две разновидности коллекторов. Первые представляли собой ерши из нитроволокон, прототипы которых хорошо зарекомендовали себя в 2002 г. (рис. 5). Коллекторы такого типа имеют большую площадь доступной для развития микрофлоры и оседания личинок водных организмов поверхности, устойчивы к гидродинамическому воздействию. При нахождении в море они активно обрастают гидроидами.
Во втором варианте комбинировали пропиленовую ткань, являющуюся (как показали исследования 2002 г.) отличным субстратом для оседания и развития личинок организмов-фильтраторов, с нитроволокнами, которые пучками крепились в разных участках коллекторов (Сокольский, Попова и др., 2003) (рис. 6). Кроме того, в 2003 году использовались цельные пластины вместо раздельных, применяемых в 2002 г. Все это позволило значительно увеличить площадь активной поверхности рифовой конструкции из полипропиленовой ткани (45,0 м2- 2002 г., 844,3 м2- 2003 г.).
В качестве конструкционных материалов для изготовления несущих элементов рифа применялись испытанные ранее пластики, армированный бетон, металл и капрон. Поверхности, подверженные коррозии, покрывались водостойким лаком. Доставка конструкции на судно осуществлялась в транспортном, компактном положении.
Искусственный риф (ИР) представлен тремя модулями, общая протяженность которых составила 150 м. Два модуля оснащены коллекторами с нитроволокнами, один - комбинированными коллекторами со смешанным субстратом. В конструкцию были внесены изменения, целью которых являлось увеличение целостности конструкции в ледовой обстановке. К магистральному канату коллекторы крепились свободно (лишь в нижней точке) и каждый был оснащен отдельным плавом. Было увеличено сечение канатов, образующих каркас рифа. Диаметр магистрального каната составил 36,0 мм, несущих канатов коллекторов - 22,0 мм.
В системе удержания использовалась проверенная и показавшая свою надежность комбинация лаповых и гравитационных якорей (рис.7,8).
Постановка конструкции на морском полигоне (рис.10) производилась с борта научно-исследовательского судна РС-300 «Прогноз» по следующей схеме. Два модуля были расположены в одну линию друг за другом. Модуль с комбинированными коллекторами установлен параллельно первым двум на расстоянии 60 м (Перевод из транспортного в рабочее положение, оснащение плавами и якорями осуществлялась на кормовой палубе судна (рис. 11,12). Она проводилась во время выборки якорной цепи судна, после ее предварительного стравливания на полную длину (рис. 13,14). В то же время была отработана схема укладки сооружения на кормовой палубе, значительно облегчающая процесс постановки и (при наличии съемного или откидывающегося борта на корме судна) сокращающая присутствие человека в момент схода конструкции в воду (рис. 15). Место установки искусственного рифа отметили опознавательными буями. Координаты его местоположения определялись с помощью спутникового навигационного оборудования: 45 1(/ 502/х с.ш., 48 53 964/; в. д. Глубина моря в районе постановки искусственного рифа 6 м.
Проведенное обследование рифа, установленного в 2002 г., показало, что сооружение весьма плотно заселено различными морскими животными (рис. 16).
На морском экспериментальном полигоне, в зоне действия рифа (4510/469 с.ш., 48 3 58 в.д.) осуществлялся комплексный сбор биостатистического материала (рис. 17). В аквариальную доставлена каспийская вода и элементы искусственного рифа для проведения эксперимента по биодеградации нефтеуглеводородов на рифовых поверхностях.
Микробиологическая характеристика морских вод
Анализ результатов, полученных нами при изучении общей численности и биомассы микроорганизмов в северной части Каспийского моря указывает на неравномерное пространственное распределение бактериопланктона.
Так, общая численность бактериопланктона поверхностного слоя колеблется в пределах от 70,9 тыс.кл/мл до 246,7 тыс.кл/мл. Наибольшие значения отмечались в западной, средней и северо-восточной частях Северного Каспия.
Аналогичным является пространственное распределение плотности бактериального населения в придонном слое. Общая численность микробных популяций на участках выраженного опреснения вод в среднем составляла 204,2 тыс. кл/мл, а на остальной акватории — 71,4 тыс. кл/мл, т.е. в 2,9 раза меньше.
Характер пространственного распределения по площади общей численности и биомассы бактериального населения достаточно хорошо совпадал с распределением видов индикаторной микрофлоры, активно участвующих в деструкции легко усвояемого органического вещества, а именно гетеротрофной сапрофитной и олигокарбофильной микрофлоры. Относительно повышенная плотность гетеротрофных сапрофитных бактериальных популяций (ГСБ) наблюдалась в зонах наиболее выраженного влияния речного стока Волги. На этих участках акватории Северного Каспия средняя численность сапрофитов составляла 7789 кл/мл и в 4,3 раза превышала концентрацию ГСБ на остальной акватории (1778 кл/мл).
При анализе динамики численности нефтеокисляющих бактериальных сообществ было установлено, что характер расположения зон повышенной концентрации нефтеокисляющих микроорганизмов (среднее 7154 кл/мл) хорошо согласуется с выделенными зонами загрязнения поверхностных и придонных слоев акватории нефтеуглеводородами.
В целом для Северного Каспия в составе индикаторных групп микроорганизмов установлено преобладание гетеротрофных сапрофитных бактерий. Максимальная плотность гетеротрофных сапрофитных бактерий зарегистрирована в поверхностном и придонном слоях северо-западной части Северного Каспия. Аналогичная тенденция характерна и для нефте- и фенолокисляющей микрофлоры.
Значения потенциальной окислительной способности, характеризуют высокую физиологическую активность индикаторной микрофлоры в отношении нефтяных углеводородов. В то же время, микробиоценоз морских вод исследуемого участка обладает достаточно стабильной способностью к окислению органических остатков, что подтверждается данными содержания растворенного в воде кислорода.
В соответствии с критериями загрязненности морских вод по показателям общей численности микроорганизмов (ОЧ), численности гетеротрофных сапрофитных бактерий (ЧС) воды Северного Каспия можно отнести к умеренно-загрязненным (Р-мезосапробным), по численности нефтеокисляющих микроорганизмов (НМ), а также величинам индекса ОЧ/ЧМ и ОЧ/НМ - к загрязненным (а-мезосапробным).
Таким образом, в Северном Каспии происходят значительные изменения гидролого-гидрохимического режима, обусловленные так называемыми "внешними" факторами: природно-климатическими процессами и человеческой деятельностью. Повышение уровня моря способствует снижению солености. Вместе с тем следует подчеркнуть, что Каспийское море, и особенно Северный Каспий, в настоящее время находится на стадии эвтрофикации, что способствует формированию зон с глубоким дефицитом кислорода. Этот процесс отрицательно сказывается на условиях обитания оксифильных гидробионтов, играющих важную роль в питании морских рыб в т.ч. молодь осетровых (Торгунов и др., 2001).
Северный Каспий является специфическим водоемом, обладающим многими, только ему одному присущими особенностями. К ним, прежде всего, следует отнести постоянное мелководье, практически неизменную сезонную температуру моря, дефицит минерального фосфора, отсутствие постоянных течений и др. факторы. Все это является основной причиной неспособности к самоочищению здешней акватории моря даже от малейшего загрязнения. Самоочищение Северного Каспия проходит в 8 раз медленнее, чем в глубоководном Среднем и Южном Каспии (Торгунов и др., 2001).
Трансгрессией уровня вызвана резкая смена пути переноса осадочного речного материала. Подъем уровня привел к ослаблению переноса детрита в глубоководные участки и его более интенсивной аккумуляции в авандельтах рек, а также в других участках шельфа. Таким образом, регрессия и трансгрессия, каждая в свою очередь вносит коррективу в формирование общей биологической продуктивности, в характер продукционно - деструкционных процессов (Салманов, 1997).
