Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Объект и методы исследования 13
1.1 Понятие эвтрофирования и методы его оценки 13
1.2 Анализ современных исследований Азовского моря и процессов эвтрофирования 27
1.3 Общие правила построения статистической регрессионной модели 32
1.4 Материалы и методология исследования 45
Глава 2. Характеристика вод Таганрогского залива 54
2.1 Анализ гидролого-гидрохимических показателей вод Таганрогского залива
2.1.1 Скорость течения 55
2.1.2 Соленость вод 56
2.1.3 Температура вод 64
2.1.4 Содержание растворенного кислорода 68
2.1.5 Изменение значений водородного показателя
2.2 Оценка содержания биогенных веществ 77
2.3 Определение показателя трофности вод северо-восточной части Таганрогского залива 83 CLASS Глава 3. Статистическая модель изменения показателя трофности для вод северо-восточной части Таганрогского залива 86 CLASS
3.1 Построение статистической модели изменения показателя
трофности вод северо-восточной части Таганрогского залива 86
3.2 Адекватность и верификация модели 97
3.3 Анализ полученных результатов 99
Глава 4. Определение общей внешней нагрузки на воды северо- восточной части Таганрогского залива
4.1 Вычисление компонентов общей внешней нагрузки на залив 110 Стр
4.1.1 Определение нагрузки от точечных источников 110
4.1.2 Определение нагрузки биогенных веществ от рассеянных источников 115
4.1.3 Определение нагрузки, формируемой плоскостным стоком 116
4.1.4 Определение нагрузки, формируемой зоной рекреации 119
4.1.5 Определение нагрузки, формируемой атмосферными осадками 120
4.1.6 Определение нагрузки, формируемой стоками рек 123
4.1.7 Определение нагрузки, формируемой водным транспортом 124
4.2 Расчет общей внешней нагрузки на воды северо-восточной части Таганрогского залива 125
Глава 5. Метод оценки состояния вод северо-восточной Таганрогского залива по показателю трофности
5.1 Расчет экологически допустимых концентраций биогенных веществ 130
5.2 Оценка экологического резерва вод северо-восточной части Таганрогского залива 134
5.3. Экспериментальные исследования сравнительной роли азота и фосфора в эвтрофировании северо-восточной части Таганрогского залива 141
Заключение 152
Список сокращений 158
Библиографический список
- Анализ современных исследований Азовского моря и процессов эвтрофирования
- Содержание растворенного кислорода
- Адекватность и верификация модели
- Определение нагрузки, формируемой атмосферными осадками
Анализ современных исследований Азовского моря и процессов эвтрофирования
Изучение вод Азовского моря и Таганрогского залива, в частности, является актуальной задачей современных исследований.
О влиянии концентрации биогенов на «условия «цветения воды»» В Таганрогском заливе пишет Сухинов А.И. и Никитина А.В. [Сухинов, Никитина, 2011; Сухинов и др., 2011; Никитина, 2010; Никитина, 2009]. Согласно, их исследованиям воды залива изначально предрасположены, «заряжены» на замор рыб из-за цветения воды (т. е. эвтрофирования залива). Однако, в своих исследованиях авторы проводят математическое моделирование концентрации фитопланктона, не вычисляя при этом показатель трофности сам по себе. В диссертационной работе Сапригина В.В. [Сапрыгин, 2011] подробно изучено распределение хлорофилла «а» в водах Азовского моря и Таганрогского залива, в частности. Исследование проведено по данным дистанционного зондирования Земли из космоса, а также по результатам судовых измерений. За период 2008-2009 гг. в работе применен региональный адаптированный алгоритм оценки концентрации хлорофилла «а», построены среднемесячные картосхемы его распределения. Выявлено, что наибольшие концентрации хлорофилла «а» сосредоточены в водах Таганрогского залива в летне-осенний период. В рамках данного исследования для Таганрогского залива апробирован метод непрерывного флуориметрического измерения концентрации хлорофилла «а» в приповерхностном горизонте, получены уравнения расчета зависимости между концентрацией хлорофилла «а» и интенсивностью нативной флуоресценции хлорофилла фитопланктона [Шавыкин, 2010].
В монографии Бакаевой Е.Н. и Макарова Э.В. [Бакаева, 1999] изучаются основы жизнедеятельности коловраток в условиях антропогенной нагрузки, данная работа направлена на изучение биологических аспектов нагрузки, влияющей на экосистему Азовского моря.
В работе Андреева В.В. и Алымова М.В. [Андреев, Алымов, 2008] изучено вертикальное распределение биогенных элементов в воде. Данное исследование безусловно играет важную роль в изучении азота и фосфора водных объектов, однако, никак не затрагивает эвтрофирование.
В статье Белолипецкого В.М. и др. «Численное моделирование процессов эвтрофирования» [Белолипецкий и др., 1997] применяется метод имитационного моделирования. При этом оценивается динамика содержания планктонного звена водной экосистемы, а описание происходит через полный цикл биохимической трансформации соединений фосфора, который «как правило, лимитирует развитие гидробионов». То есть данная модель оценивает эвтрофирование только при условии, что лимитирующим элементом процесса является фосфор, а ситуация, когда лимитирующим фактором являются соединения азота, не изучается.
Гаргопа Ю.М. в своих работах [Гаргопа, 2003; Гаргопа, 2004] подробно рассматривает основные физико-химические характеристики экосистемы Азовского моря (соленость, пространственно-временные колебания речного стока, температуру воды, ветровую активность, отдельные компоненты биоресурсов Азовского моря). Сделаны выводы: «Основные физико-химические характеристики Азовского моря, такие как соленость и биогенные вещества формируются главным образом речным стоком во взаимодействии с температурой воздуха и ветром».
В работе Н.Е. Сергеева, А.И. Сухинова и С.Ю. Фомина «Общесистемные решения по распределенной обработке данных экологических гидрофизических и гидрохимических исследований акватории Азовского моря» [Сергеев и др., 2001] предлагаются общесистемные решения по созданию комплексной распределенной системы сбора и обработки гидрофизической и гидрохимической информации (пространственный вектор скорости течений, возвышение уровня, температура, соленость и электропроводность, содержание кислорода, углекислого газа, сероводорода) для восточной части Таганрогского залива. Цель системы – создание единого информационного пространства для разнотипной информации, указанной выше.
В других работах Сухинова А.И. разрабатываются различные математические модели для мелководных водных объектов, в частности Таганрогского залива и Азовского моря. Например, трехмерная модель гидродинамики [Сухинов, Чистяков, 2012; Сухинов и др., 2013], модель движения водной среды [Чистяков, Сухинов, 2008], математическое моделирование условий формирования заморов [Сухинов, Никитина и др., 2013], Реализация параллельных алгоритмов решения модельной задачи динамики фитопланктона [Сухинов, Никитина, Семенов, 2013],
Моделирование сценария биологической реабилитации Азовского моря [Сухинов и др., 2012], модель расчета прибрежных волновых процессов [Сухинов, Чистяков и др., 2012] и др. При проведении вычислительных экспериментов, связанных с поиском причин возникновения дисбаланса азота и фосфора в Азовском море [Ильичев, 2006] выявлено: 1) при сокращении годового стока реки Дон в два раза (с 50 до 25 км3/год) биологические факторы имеют наибольшее значение, которое вызывает уменьшение и азота, и фосфора; 2) увеличение азота и фосфора происходит при дальнейшем уменьшении объёма годового стока реки.
В книге «Закономерности экосистемных процессов в Азовском море» [Матишов и др., 2006] представлены изменения биопродуктивности Азовского моря, дана гидроэкологическая оценка предельно допустимых преобразований стока рек, при которых обеспечивается сохранение качества природной среды и биоресурсного потенциала моря.
В других исследованиях Матишова Г.Г. и соавторов [Матишов, 2009; Матишов и др., 2008; Матишов, 2005; Матишов и др., 2006; Матишов, 2003; Матишов, 2001; Матишов, 2008; Матишов, 2000; Матишов 2004; Матишов и др., 2005; Матишов и др., 2010; Матишов и др., 2009, Матишов и др., 2015] проводится ряд различных исследований водной среды Каспийского, Черного и Азовского морей. Составлен климатический атлас, в котором описана цикличность климатических изменений макрорегиона Каспийского, Черного и Азовского морей, что позволяет найти закономерности, на базе которых можно будет делать точные прогнозы изменений в данных экосистемах. Исследованы закономерности экосистемных процессов в Азовском море, проблемы литодинамики, рассмотрены новейшие экологические феномены в Азовском море, проведен экосистемный мониторинг и оценка воздействия разливов нефтепродуктов в Керченском проливе и др.
В работах Поважного В.В. [Поважный, 2009; Экосистемные исследования…,2012] рассматриваются особенности функционирования зоопланктонного сообщества Таганрогского залива Азовского моря. Показана структурно-функциональная роль мезопланктонного сообщества и оценка его роли в трансформации органического углерода в заливе.
В работах Федорова Ю.А. [Федоров, Беляев, 2004; Федоров и др., 2007] на основе комплексных экосистемных исследований Азовского моря и Таганрогского залива подробно изучена изменчивость биогенных веществ в зоне смешения река Дон – Азовское море.
Содержание растворенного кислорода
Таким образом, в работе использованы результаты анализов проб морских и сточных вод по определению температуры воды, солености, содержанию растворенного кислорода, рН, нитратов, аммоний иона, нитритов и фосфатов, полученные в вегетационный период (далее средние значения и средние концентрации за вегетационный период) и рассчитанные как средние арифметические.
Уникальность собранной базы данных обуславливается: - едиными методами отбора и анализа проб; - широким охватом точек наблюдений на водным объекте (рис. 2.2); - оптимизированными внутри- и межгодовыми сроками отбора проб, необходимыми для оценки временной изменчивости состояния водных экосистем; - широким набором перечня показателей, определяемых при анализе поверхностных вод. Составленная в работе база данных представлена в Приложениях 1-9. На основе множества литературных источников и полученной базы данных в работе проведен анализ гидролого-гидрохимических показателей вод северо-восточной части Таганрогского залива. Характеристика вод Таганрогского залива включала в себя: - обзор и анализ литературных данных по гидродинамике водного объекта (скорости течения), температурному режиму, солености, рН, содержанию растворенного кислорода и биогенных веществ (аммоний иона, нитратов, нитритов и фосфатов); - анализ собранной базы данных по температурному режиму, солености, рН, содержанию растворенного кислорода и биогенных веществ (аммоний иона, нитратов, нитритов и фосфатов); - построение автором картосхем исследуемой части залива с использованием программного комплекса ArcGIS; - расчет показателя трофности вод залива по методу Цветковой Л.И. (формула 1.8 раздела 1.1). На основе проведенного гидролого-гидрохимического анализа вод северо-восточной части Таганрогского залива строится статистическая регрессионная модель, которая составлялась для выборки данных из 1300 измерений (средние концентрации за вегетационный период в 2003-2012гг.).
На основе полученной выборки данных строится уравнение регрессии показателя трофности вод Тстат., которое позволяет построить регрессионную модель. При этом первоначально учитывались те показатели, которые на наш взгляд являются определяющими при развитии процесса эвтрофирования водного объекта. Это температура воды, соленость, скорость течения воды и концентрации аммоний иона, нитратов, фосфатов и нитритов:
Однако, при проведении регрессионного анализа с данными факторами было выявлено, что концентрация нитритов, а также скорость течения воды в заливе, являются статистически незначимыми компонентами регрессионной модели. Отметим, что средние за вегетационный период концентрации нитритов очень малы, а исследуемая часть акватории является наиболее мелководной, на ее территории преобладают сгонно-нагонные и круговые течения, которыми для расчета данного показателя эвтрофирования можно пренебречь. На эвтрофирование водного объекта значительное влияние могут оказывать как природные, так и антропогенные факторы. Суммарный поток биогенов в акваторию составляет общую внешнюю нагрузку, которая зависит от многих факторов: количества и типов точечных источников; рельефа площади водосбора и видов землепользования; геологических особенностей местности; гидрологических характеристик водных объектов и водотоков и др. Обычно метод расчета нагрузки азота и фосфора основан на расчетах элементов следующего уравнения [Неверова-Дзиопак, 2003]: J = Jст.в + Jрасс. ист + Jпл. ст + Jрекр + Jводн.тр. + Jатм + Jреч.ст, (1.28) где J – суммарная нагрузка фосфора (Р) или азота (N), г/год; Jст. в, Jрасс. ист, Jпл. ст, Jрекр, Jводн тр, Jатм, Jреч. ст – нагрузка Р или N, поступающая соответственно со сточными водами; из рассеянных источников; с плоскостным стоком; от рекреации; от эксплуатации водного транспорта; с атмосферными осадками и с речным стоком, г/год.
В данной работе рассчитывается общая внешняя нагрузка на северовосточную часть Таганрогского залива.
Так как экологические нормативы принципиально отличны от санитарно-гигиенических и рыбохозяйственных ПДК [Цветкова и др., 1991], то при проведении геоэкологической оценки качества и состояния водного объекта актуальным становится определение экологически допустимых концентраций (ЭДК) биогенных веществ и их экологических резервов (ЭР).
Экологически допустимые концентрации – это ЭДК вредных веществ в окружающей среде, поступающих от антропогенных источников и не нарушающие гомеостатические механизмы саморегуляции экосистем [Неверова-Дзиопак, 2003]. Экологический резерв водного объекта – это разница между экологически допустимым (предельным) и фактическим состояниями экосистемы.
Адекватность и верификация модели
Содержание кислорода в морской воде обусловливает существование гидробионтов и определяет интенсивность и направленность окислительных и восстановительных биохимических процессов, протекающих в морской среде. Основными источниками поступления кислорода в водную толщу моря являются продуцирование его при фотосинтезе и атмосферная аэрация. Уменьшение содержания кислорода в водной толще обусловлено потреблением его на дыхание водных организмов и на окисление органического вещества, а также выделением кислорода из поверхностных слоев в атмосферу при его насыщении в этом слое, превышающем 100%. В формировании внутригодовой динамики содержания растворенного кислорода определяющими факторами являются гидрометеорологические условия зимой и осенью и процессы продуцирования и потребления кислорода летом.
Согласно Единой Системе Информации об Обстановке в Мировом Океане [Единая Система…, 2015] весной и осенью концентрация кислорода, как правило, близка к равновесной, и ее распределение по вертикали оказывается довольно равномерным вследствие того, что в формировании режима кислорода в эти периоды года доминирующую роль играют гидрометеорологические факторы.
Летом, в условиях плотностной стратификации, потребление кислорода поверхностным слоем донных отложений обусловливает его значительное снижение в придонных горизонтах (в отдельных районах до 60 %). В период повышения ветровой активности распределение содержания кислорода в поверхностных и придонных горизонтах относительно равномерное и колеблется в диапазоне 99-82 % [Единая Система…, 2015]. По данным АзНИИРХ и ГОИН, примерно с 1957г. возникает летний дефицит кислорода, а с 1960г. становится явлением почти ежегодным. В собственно море зоны, ограниченные изооксигеной, равной или менее 60% насыщения, наиболее обширными были в период с 1963 по 1966гг. При этом в южном, центральном и восточном районах моря концентрация кислорода в придонных слоях снижалась до 10% насыщения и менее [Гидрометеорология, 1991]. В целом для многолетних колебаний содержания растворенного кислорода в водной толще Таганрогского залива, являющегося основным приемником загрязняющих веществ, характерен слабовыраженный отрицательный тренд, в водных слоях составляющий около 1 мл/л (или 18-19%). Весной содержание кислорода в природных слоях Таганрогского залива понижается (0,5-0,6 и 0,7-1,2 мл/л). Осенью эти тенденции выражены слабо (0,6 мл/л или 8,7%) [Гаргопа, 2003; Кукса, Гаргопа, 2004].
Случаи дефицита кислорода выявлены в районах выпусков сточных вод очистных сооружений водоканалов городов, а также в районе шламонакопителя Таганрогского металлургического завода. Все случаи дефицита кислорода свидетельствуют об интенсивных процессах окисления в морской среде органических веществ, сбрасываемых в акваторию моря с недоочищенными сточными водами.
Согласно Единой Системе Информации об Обстановке в Мировом Океане в 2002 году содержание растворенного кислорода в водах залива находилось в пределах 74-139% насыщения. Минимум содержания растворенного кислорода был отмечен у дна на выходе из залива у правого берега. Средневзвешенное насыщение растворенным кислородом увеличилось на 3% по сравнению с 2000г. и составило 103 % [Единая Система…, 2015]. Данные многолетних наблюдений (по данным ФГУП «Азовморинформцентра») средние за вегетационный период концентрации растворенного в воде кислорода представлены в таблице 2.2. Анализ современных данных показывает, что в северо-восточной части Таганрогского залива Азовского моря средние за вегетационный период многолетние значения растворенного кислорода в воде варьируют от 6,43 до 11,13 мг/дм3. Минимальные значения наблюдались в 2003 (1,20 мг/дм3) и 2004 (1,70 мг/дм3) годах в пункте наблюдения «3 км вглубь моря от Чумбур Косы/ Греческая банка». Максимальные: в 2002 (11,95 мг/дм3, Фоновый пункт наблюдения на границе района VIIIа), 2005 (12,73 мг/дм3, устье р. Мертвый Донец), 2013 (12,51 мг/дм3, канал порта Таганрог в районе г. Таганрога) годах [Жидкова, 2015].
Это согласовывается с другими многолетними исследованиями. Так, в 1995 г. абсолютное содержание O2 в поверхностном слое воды Таганрогского залива [Федоров, 1991; Федоров, Предеина, 2000] изменялось от 7,15 до 9,92 мг/дм3 (среднее – 8,3 мг/дм3). В 2000 году [Гарькуша, Федоров, 2010] в Таганрогском заливе абсолютные концентрации варьировали от 7,16 до 9,81 мг/дм3 (среднее 8,40 мг/дм3) и от 5,70 до 9,70 мг/дм3 (среднее 7,99 мг/дм3) в поверхностном и придонном слоях соответственно.
Определение нагрузки, формируемой атмосферными осадками
Проведенные исследования показали, что эвтрофирование северовосточной части Таганрогского залива зависит от солености, температуры воды, концентрации аммоний иона, нитратов и фосфатов. Особенностью исследуемой акватории является мелководность, почти полное отсутствие течения, преобладание сгонно-нагонных течений, отсутствие стратификации. В наибольшей степени колебания показателя трофности зависят от изменения температуры воды, что согласуется с другими литературными данными. Однако, пренебрегать прочими показателями нельзя, так как их статистическая значимость подтверждена проведенным регрессионным анализом.
Как представлено в таблице 3.6 изменчивость показателя трофности вод Таганрогского залива наблюдается как в пространстве, так и во времени, что показывают его значения в различных точках северо-восточной части Таганрогского залива за 2002-2015 года: в канале порта Таганрог в районе г. Таганрога наименьшее значение показателя трофности наблюдалось в 2015 году (7,75), наибольшее – в 2010 (8,92); в районе с. Золотая Коса наименьшее значение показателя трофности наблюдалось в 2008 году (7,97), наибольшее – в 2010 (9,16); в точке Свалка морского грунта АДМК № 1 наименьшее значение показателя трофности наблюдалось в 2003 году (7,47), наибольшее – в 2010 (8,95); в устье рукава Кутерьма наименьшее значение показателя трофности наблюдалось в 2015 году (7,74), наибольшее – в 2010 (8,80); в устье р. Мертвый Донец наименьшее значение показателя трофности наблюдалось в 2005 году (7,74), наибольшее – в 2010 (8,81); в точке Морская свалка АДМК № 2 (18 км от устья) наименьшее значение показателя трофности наблюдалось в 2003 году (7,56), наибольшее – в 2010 (8,97); в точке Фоновый пункт наблюдения района VIIIa наименьшее значение показателя трофности наблюдалось в 2008 году (7,94), наибольшее – в 2011 (9,62); 100 в бухте Андреева наименьшее значение показателя трофности наблюдалось в 2008 году (7,92), наибольшее – в 2014 (8,82); в точке Пляж Солнечный наименьшее значение показателя трофности наблюдалось в 2004 и 2008 годах (7,92), наибольшее – в 2010 (8,84); в точке порт Таганрог наименьшее значение показателя трофности наблюдалось в 2008 году (7,86), наибольшее – в 2005 (8,78); в точке пляж Центральный наименьшее значение показателя трофности наблюдалось в 2008 году (7,94), наибольшее – в 2010 (8,88); в точке пляж Приморский наименьшее значение показателя трофности наблюдалось в 2008 году (7,93), наибольшее – в 2010 (8,91); в точке пляж Петрушино наименьшее значение показателя трофности наблюдалось в 2003 году (7,24), наибольшее – в 2004 (9,12); в устье р. Морской Чулек наименьшее значение показателя трофности наблюдалось в 2002 году (7,25), наибольшее – в 2010 (8,83); в устье р. Самбек наименьшее значение показателя трофности наблюдалось в 2004 году (7,93), наибольшее – в 2010 (8,87); в точке р. Кагальник у с. Кагальник наименьшее значение показателя трофности наблюдалось в 2015 году (7,92), наибольшее – в 2010 (8,80); в точке г. Таганрог (3 км от берега) наименьшее значение показателя трофности наблюдалось в 2004 году (7,46), наибольшее – в 2002 (8,93); в фоновом пункте наблюдения на границе района VIIIA наименьшее значение показателя трофности наблюдалось в 2009 году (8,1), наибольшее – в 2011 (9,69). Максимальный показатель трофности в течение исследуемого периода наблюдался в 2011 году в фоновом пункте наблюдения и на границе района VIIIа (9,62 и 9,69 соответственно). Такой высокий показатель объясняется сильной мелководностью акватории и, как следствие, высокой температурой воды в летнее время года [Гусева (Жидкова), 2012]. Тем не менее, наибольшее количество точек с самым высоким показателем трофности наблюдалось в 2010 году.
Наименьший показатель трофности наблюдался в 2003 году в районе пляжа Петрушино (7,24) [Гусева (Жидкова), 2013]. Однако, наибольшее количество точек с минимальным показателем трофности приходится на 2008 год.
В течение исследуемого периода наибольшие колебания показателя трофности в рамках исследуемых величин наблюдалось в пунктах наблюдения «3 км вглубь моря от Чумбур Косы» (среднее значение – 8,69; изменение от максимума к минимуму составило 1,88 единицы) и пляж Петрушино (среднее значение – 8,69; изменение от максимума к минимуму составило 1,88 единицы).
Наименьшие колебания показателя трофности вод за исследуемый период отмечены в точке Поворотный буй АДМК (среднее значение – 8,54; изменение от максимума к минимуму составило 0,8 единиц). [Гусева (Жидкова), 2011].
На рисунках 3.20-3.22 представлены картосхемы изменения показателя трофности (в 2009, 2012, 2015 года). На них видно, что зоны наибольшего показателя трофности в 2009 и 2012 года находились в районе г. Таганрог, наименьшие – ближе к границе района. В 2015 году практически вся исследуемая зона имела высокий показатель трофности (больше 8,2). Площади эвтрофных зон в 2009 году составили 731 км2, в 2012 - 936 км2, в 2015 – 636 км2.
Северо-восточная часть Таганрогского залива относится к водному объекту мезотрофного типа, переходящего в эвтрофный (шкала представлена в разделе 1.1). Наименьший средний за вегетационный период показатель наблюдался в 2002 и 2003 годах, наибольший в 2011. Так как эвтрофирование залива в значительной степени зависит от температуры воды, данные изменения можно объяснить более теплыми, либо холодными погодными условиями, а также мало- или многоводностью исследуемого года.
Важно отметить, что полученные результаты согласуются с данными по определению хлорофилла «а», полученные сотрудниками ЮНЦ РАН в ходе экспедиции 2008 г. [Шавыкин, 2010]. Авторами выявлено, что наибольшие значения концентрации хлорофилла «а» отмечены в средней и восточной частях залива, максимум наблюдался вблизи устья реки Дон.
Согласно нашему исследованию, в 2008 году наибольшие значения показателя трофности также наблюдались вблизи устья реки Дон (табл. 3.6).
Так как эвтрофирование водного объекта это преобладание процессов продукции над процессами деструкции, проследив изменение значений показателя трофности за 2002-2015 гг., можно отметить дальнейшее эвтрофирование вод северо-восточной части Таганрогского залива.
Анализируя полученные значения показателя трофности, приходим к выводу, что в различных районах исследуемого водного объекта пространственно-временное эвтрофирование изменяется неравномерно.
Исследование показало, что на эвтрофирование северо-восточной части Таганрогского залива влияют не только такие абиотические факторы среды, как температура и соленость воды, но и концентрации биогенных веществ, а именно аммоний иона, нитратов и фосфатов.