Введение к работе
Актуальность исследований.
Азовское море в естественных условиях формирования водно-солевого режима являлось водоемом с очень высокой рыбопродуктивностью (до 80 ц рыбы с га), что позволяло считать это море самым продуктивным в Мировом океане (Воловик, 2002). Столь значимый рыбохозяйственный потенциал моря обеспечивался, главным образом, его мелководностью и, как следствие, хорошим прогревом вод, а также высоким показателем суммарного речного стока, формирующего в эстуарных районах моря зоны смешения речных и морских вод. Некоторые исследователи (Симонов, 1958; Михайлов, 1971; Бронфман,
1973; Кукса, 1987 и др.) называют зоны смешения «опресненными зонами». Локализуясь в предустьевых областях, опресненные зоны представляют собой своеобразный биологический фильтр (буферную среду) в системе «река-море», выполняющий адаптационные функции при скате молоди проходных и полупроходных рыб из рек в море. Существует мнение, что площади зон опреснения являются «четким индикатором урожайности» поколений рыб (Богучарсков, Косолапое, Кувалкин, 2002). Поступающие с речных водосборов воды, трансформируясь, привносят в море значительное количество биогенных и органических веществ, на базе которых и формируется биологическая продуктивность моря (Книпович,
1938, Одум, 1975). Пространственная и временная изменчивость размеров зон смешения, качественные характеристики, вариабельность гидролого-гидрохимических и гидробиологических показателей во многом предопределяют продукционную способность водоема. Благоприятный солевой режим, формирующийся в зонах смешения, способствует высокой концентрации в них молоди ценных видов рыб (граница толерантности, например, для молоди судака, находится между изохалинами от 7 до
12,5%о)(Хлебович, 1974).
Антропогенно-климатические воздействия на водные биологические ресурсы Азовского моря в известной степени уже изучень| (Спичак, 1964; Ворович и др., 1977; Бронфман, Дубинина, Макарова, 1979 Воловик, 1997 и др.). Однако наряду с такими факторами, определяющим: условия обитания промысловых объектов Азовского моря, как1 термический режим в системе «вода-воздух», колебания материкового стока, водно-солевой баланс моря, формирование режима солености, особую актуальность в выявлении причинно-следственных закономерностей изменения экологической ситуации в бассейне Азовского моря приобретают исследования пространственно-временной структуры опресненных зон. Ареалы опресненных зон подвержены существенной изменчивости в зависимости от фазы водности рек, впадающих в Азовское море. В годы повышенной водности рек Дон и Кубань, образующиеся на взморье зоны смешения вод характеризуются значительными размерами (особенно при стонах) и, наоборот, в фазы низкой водности (и при нагонах) их площади уменьшаются (Симонов, 1958; Родионов, 1958;
Бронфман, Шишкин, 1971). В период естественного режима Азовского моря при среднегодовой солености до 10,6%о прибрежные районы моря, приуроченные к дельтовым рукавам и лиманным гирлам, отличались высокой эффективностью воспроизводства леща, судака, тарани и др. видов рыб (Таманская, 1962; Троицкий, Цуникова, 1988), а объемы рыбодобьгаи достигали 3 млн. ц (Кустов, 1968). Глубокие структурные преобразования в экосистеме Азовского моря, происшедшие на фоне зарегулирования речного стока, экономической депрессии и реструктуризации промысла в бассейне, привели к катастрофическому снижению уловов ценных видов рыб до 17 тыс. ц (Воловик, 2002).
Поиск путей «реанимации» Азовского моря на основе научно-обоснованного подхода к управлению со сменами некоторых приоритетов бассейновой водохозяйственной политики, на наш взгляд, должен осуществляться с применением системной методологии, в частности, -с набором в качестве «тест-объектов» ряда абиотических и биотических элементов, четко реагирующих на изменения среды в зависимости от «поведения» опресненных зон, общей солености моря, термического режима и стока рек под воздействием антропогенно-климатических факторов. Этот подход и был положен в основу исследований, проведенных в рамках плановых научных работ ФГУП «АзНИИРХ», среди которых КЦП «Комплекс», ГНШ «Мировой океан» и «Моря СССР» предусмотренные Государственным Комитетом РФ по рыболовству исследования по темам: «Разработать научные основы охраны рыбохозяйственных водоемов от загрязнения и провести комплексные исследования биоресурсов Азово-Черноморского бассейна с целью их рациональной эксплуатации, сохранения и разработки долгосрочных перспектив развития рыболовства» (Проект «Биоресурсы»), «Изучить закономерности формирования и распределения биологической и промысловой продуктивности водоемов Азово-Черноморского бассейна» и. т.д. Востребованность подобных исследований Государственными программами подтверждает актуальность выполненной работы.
Цели и задачи исследований
Главная цель исследований - оценить эффективность использования водных и биологических ресурсов Азовского моря.
В соответствии с целью были поставлены следующие задачи:
1. Оценить роль климатических и антропогенных факторов
в формировании биотической и абиотической структуры зон
смешения речных и морских вод, как составляющей экосистемы
Азовского моря;
-
Изучить пространственно-временную структуру опресненных зон (на примере Таганрогского залива и устьевого взморья р. Кубань);
-
Разработать модель расчета стоковых течений и солености на устьевых взморьях, произвести ее верификацию;
-
Оценить влияние зон смешения морских и речных вод на формирование биологической продуктивности Азовского моря;
-
Выявить пути оптимизации параметров экосистемы Азовского моря в соответствии с требованиями рыбного хозяйства. Научная новизна.
В работе впервые проведена оценка некоторых специфических
параметров процесса трансформации речных вод, поступающих на
устьевые взморья Дона и Кубани, в частности изучена пространственно-
временная изменчивость гидрофизических, гидрохимических
характеристик и динамика зон смешения речных и морских вод во
взаимосвязи с основными режимоформирующими факторами.
Получены и апробированы модели (стоковых течений, расходов и
солености воды), позволяющие рассчитывать размеры опресненных зон в
пространственно-временном масштабе. В качестве «тела»,
интерпретирующего объем вовлеченных в движение к открытому морю смешанных вод, принят конус их растекания и использована трехмерная система координат. Для приглубого взморья р. Кубань принято условие «выклинивания» опресненных вод как менее плотных, по сравнению с окружающими их «чисто» морскими водами. Смешение вод по вертикалям на взморье р. Дон, вследствие значительной его мелководности, практически происходит до дна, что позволило при моделировании считать структуру этих вод гомохалиной. В основу разработки приема расчета стоковых течений кубанского взморья впервые положена теория динамики тел переменной массы.
Модели позволяют рассчитывать значения в любой заданной точке приемного бассейна. В этом контексте впервые дана количественная оценка влияния размеров зон смешения на рыбопродуктивность Азовского моря. В процессе моделирования к натурным данным присовокуплены расчетные поля опресненных зон за достаточно длительный временной период (1960-2003 гг.). Впервые для естественного режима Азовского моря восстановлены отдельные по виду и рыбопромысловой значимости зоны (от 0 до 8-9%о), характерные для скатывающейся молоди полупроходных рыб с кубанских лиманных нерестилищ. На основании полученных данных проанализирована взаимосвязь рыбопродуктивности Азовского моря и динамики опресненных зон, уровень статистической значимости которой достаточно высок.
Практическая значимость
Исходные и расчетные размеры опресненных зон, материалы картирования полей солености использованы в интеллектуальной распределительной системе поддержки принятия решений по оценке прогнозирования и квотирования биологических ресурсов Азовского моря «Азов». Они применяются для биогидрологической и экологической экспертизы продуктивности ихтиофауны в различные по солевому режиму временные периоды функционирования экосистемы Азовского моря, являются составной частью формируемого в АзНИИРХе банка данных по
абиотической компоненте среды Азовского моря, вошли в научно-справочное пособие проекта «Моря СССР», T.V «Азовское море».
Представленные модели дают возможность поэтапно реализовать расчеты стоковых течений, солености, размеров зон смешения речных и морских вод.
Результаты моделирования процессов, протекающих на взморьях рек Дона и Кубани, используются при необходимости оперативного определения адаптационных условий на путях движения скатывающихся к морю молоди рыб, а также при составлении рыбохозяйственных прогнозов, базирующихся на абиотических предикторах. Они необходимы при исследовании эволюции халинной структуры вод не только непосредственно находящихся в эстуарных водоемах, но и в пограничных с ними зонах прибрежной полосы Азовского моря.
Результаты моделирования являются основополагающим этапом в поисковых и прогностических исследованиях, . реализуемых в изменяющихся условиях функционирования экосистемы Азовского моря, и служат аналогом для решения идентичных проблем на устьевых взморьях морей России.
Положения, выносимые на защиту:
результаты исследований процессов формирования стоковых течений на взморьях Кубани и Дона как абиотических факторов, определяющих динамику опресненных зон в спектре синоптического масштаба изменчивости.
гидродинамическая плановая модель стоковых течений и расчет с ее помощью солености, опресненных зон на приглубом взморье (на примере устья Кубани).
выбор и обоснование методики расчета солености и зон смешения в Таганрогском заливе (устьевой области Дона).
результаты по выявлению динамики размеров зон смешения и их воздействий на формирование рыбопродуктивности Азовского моря в различные фазы формирования его солевого режима.
Апробация работы.
Результаты работы докладывались и обсуждались на межлабораторных семинарах и заседаниях ученого совета АзНИИРХ (г.Ростов-на-Дону, 1971-2003г.) на международных, всесоюзных, всероссийских и отраслевых конференциях по эколого-гидрологическим проблемам (Краснодар, 1974; Москва, 1979,1982; Калининград, 1989; Ростов-на-Дону, 1996; Мурманск, 2002; Тольятти,2003 и др.)
Личный вклад автора
Автор является непосредственным участником экспедиционных исследований, проводимых в Азовском море, Таганрогском заливе, устьевых взморьях рек Дона и Кубани в период 1968-2004 гг. Большая часть экспедиционных исследований стала исходным материалом для выполнения диссертационной работы. Автором обработаны, проанализированы и систематизированы экспедиционные данные,
выполнена математико-статистическая оценка параметров, разработаны алгоритмы решения задач и создан ряд моделей.
Структура и объём работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы. Работа изложена на 107 страницах, текста, включая 13 рисунков и 6 таблиц. Список литературы содержит 83 наименований.