Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Общая концепция моделирования морских экологических систем .
1.1 Структурно-функциональная схема морской экосистемы. 13
1.2 Основные этапы имитационного моделирования морской экосистемы . 21
1.3 Основные уравнения пространственно-неоднородной имитационной модели. 24
1.4 Проблема эвтрофирования внутренних морей. 28
Глава 2. Современное состояние экосистемы моря Бохай, ее компоненты и внешние воздействия . 30
2.1 Физико-географическая характеристика моря. 30
2.1.1 Географическое положение, глубины и донные отложения.—30
2.1.2 Климат. 32
2.2 Физико-динамические компоненты биотопа. 34
2.2.1 Пространственно-временная изменчивость температуры воды и ледовый режим . 34
2.2.2 Соленость и плотность вод в море Бохай. 40
2.2.3 Годовой ход суммарной солнечной радиации на поверхности моря. 44
2.2.4 Прозрачность и подводная освещенность моря. 49
2.2.5 Общая циркуляция вод и приливные явления. 54
2.3 Химические компоненты биотопа. 57
2.3.1 Растворенные и взвешенные в воде биогенные вещества. 57
2.3.2 Кислород. 70
2.3.3 Концентрация водородных ионов. 73
2.4 Компоненты биоценоза. 75
2.4. Репрезентативность биологических показателей. 75
2.4.2 Фитопланктон. 77
2.4.3 Зоопланктон. 81
2.4.4 Бактериопланктон. 83
2.5 Внешние воздействия на экосистему. 85
2.5.1 Водообмен через границы бассейна. 85
2.5.2 Массообмен через границы бассейна. 88
2.5.3 Тяжелые металлы в воде моря Бохай. 95
Глава 3. Цифровые модели трофического статуса и качества вод моря Бохай .
3.1 Исходная информация и методика построения цифровых моделей полей экологических характеристик. 100
3.2 Взаимосвязь категорий трофического статуса водоема и качества его вод . 101
3.3 Оценка трофического статуса и качества вод моря Бохай по отдельным показателям. 104
3.4 Многокритериальная оценка трофности и качества вод. 113
3.4.1 Алгоритм обучающей подсистемы. 115
3.4.2 Алгоритм опознающей системы. 124
Глава 4. Балансовые имитационные модели годового цикла развития экосистемы моря Бохай . 131
4.1 Вербальная модель начальных и промежуточных звеньев водной пространственно-однородной экосистемы. 131
4.1.1 Компоненты модели. 131
4.1.2 Структурно-функциональная схема пространственно- однородной замкнутой по веществу модели экосистемы.—134
'4.2 Уравнения баланса вещества в экосистеме. 137
4.3 Пространственно-однородная имитационная модель экосистемы моря Бохай. 141
4.3.1 Методика перехода от уравнений баланса вещества к уравнениям баланса скоростей массообмена . 141
4.3.2 Уравнения баланса скоростей массообмена в биоценозе. 144
4.3.3 Уравнения баланса скоростей массообмена взвешенного и растворенного органических веществ. 150
4.3.4 Уравнения баланса скоростей массообмена минеральных веществ. 156
4.3.5 Уравнения баланса скоростей массообмена растворенных газов.
4.3.6 Система уравнений баланса скоростей обменных процессов и ее решение. 161
4.4 Двухрезервуарная модель экосистемы моря Бохай. 163
4.5 Оценка адекватности имитационной модели экосистеме-оригиналу.
4.5.1 Критерии адекватности. 167
4.5.2 Тестирование имитационной модели моря Бохай. 169
4.5.3 Реакция экосистемы на изменение биогенного элемента лимитирующего первичную продукцию. 171
4.6 Оценка влияния дифференциация водного фитоценоза на результаты моделирования экосистемы. 178
4.6.1 Результаты моделирования экосистем с недифференцированным на экологически-однородные группы фитоценозом. 179
4.6.2 Результаты моделирования экосистемы с дифференцированным на экологически-однородные группы фитоценозом. 183
Глава 5. Пространственно-неоднородная имитационная модель экосистемы моря Бохай . 186
5.1 Формулировка пространственно-неоднородной осредненной по глубине модели экосистемы. 186
5.2 Результирующие потоки ветровой и стоковой циркуляции вод в море. 190
5.2.1 Постановка гидродинамической задачи. 190
5.2.2 Численный метод решения бигармонического уравнения. 194
5.2.3 Результаты моделирования циркуляции вод. 202
5.3 Численная реализация пространственно-неоднородной модели экосистемы. 202
5.3.1 Шестиэтапный метод расщепления уравнений. 203
5.3.2 Трехэтапный метод расщепления уравнений. 205
5.3.3 Сравнение результатов моделирования компонентов экосистемы по шестиэтапному и трехэтапному методам расщепления. 207
5.3.4 Сравнение результатов решения уравнений пространственной неоднородной модели с граничными условиями первого и третьего
1 рода. 216
5.4 Годовые интегральные потоки и баланс вещества в пространственно-неоднородной модели экосистемы. 220
5.4.1 Баланс вещества в модели экосистемы. 221
5.4.2 Потоки вещества в модели экосистемы. 223
5.4.3 Моделирование процесса самоочищения моря. 226
5.5 Модельная оценка воздействия факторов среды на процесс эвтрофирования моря Бохай. 229
5.5.1 Оценка влияния внутрисистемных факторов на эвтрофирование моря. 230
5.5.2 Оценка внешних факторов, влияющих на эвтрофирования моря. 233
5.5.3 Оценка влияния тяжелых металлов на эвтрофирования моря. 237
5.6 Прогнозные оценки эвтрофирования моря Бохай. 238
Заключение 244
Литература 248
- Основные этапы имитационного моделирования морской экосистемы
- Пространственно-временная изменчивость температуры воды и ледовый режим
- Взаимосвязь категорий трофического статуса водоема и качества его вод
- Методика перехода от уравнений баланса вещества к уравнениям баланса скоростей массообмена
Введение к работе
Актуальность темы. Море Бохай является внутренним морем Китая. В пределах площади его водосбора расположен один из наиболее густонаселенных районов мира с высокоразвитыми сельским хозяйством и промышленностью. Только в бассейне р. Хуанхе, впадающей в море Бохай, проживает свыше 450 млн. человек, сосредоточено свыше 60% посевных площадей пшеницы и хлопчатника Китая. Здесь сосредоточены разнообразные месторождения полезных ископаемых, развиты горнодобывающая и перерабатывающая отрасли промышленности.
Быстрый рост численности населения, высокая степень урбанизации и хозяйственного освоения площади водосбора моря привели к весьма значительной антропогенной нагрузке на морскую экосистему. Интенсификация сельского хозяйства, выражающаяся в возрастающем использовании азотных и фосфорных удобрений, и сброс в водотоки недостаточно очищенных сточных вод с животноводческих ферм и урбанизированных территорий приводят к усилению процесса эвтрофирования моря Бохай, снижению качества его вод, уменьшению видового разнообразия морского биоценоза, замене высококачественных видов рыб менее значимыми видами.
В разработанной в 1996 г. «Повестке дня Китая по морям и океанам на XXI век» была выдвинута стратегия развития морского хозяйства страны на длительную перспективу, нацеленная на рациональное освоение и использование морских ресурсов, действенную охрану морской экологической среды, обеспечение долговременного пользования морскими ресурсами. В соответствии с «Повесткой дня» за последние годы в Китае проведена большая работа по преобразованию традиционных морских промыслов, интенсивно развивается морское аквахозяйство, морские нефтегазовые промыслы, морской туризм, фармацевтика и другие новые
отрасли народного хозяйства.
В сфере рыбного хозяйства Китай придерживается курса на ускоренное развитие аквахозяйства. Непрерывно пополняется ассортимент продукции, расширяются масштабы аквопромыслов. В результате валовая продукция этой отрасли увеличилась с 1,92 млн. тонн в 1987 г. до 7,91 млн. тонн в 1997 г. Ее удельный вес в общем объеме производства морского рыбного хозяйства возрос с 26 до 36%.
Китайская Народная Республика относится к немногочисленной группе государств с бурно развивающейся экономикой. Валовой внутренний продукт страны удваивается каждые 7-8 лет.
В связи с высокой антропогенной нагрузкой на море Бохай в настоящее время и предстоящим ее усилением в ближайшем будущем весьма актуальной является проблема оценки современного трофического статуса водоема, анализа значимости факторов, определяющих процесс его эвтрофирования и выполнение имитационного моделирования возможного развития этого процесса.
Целью работы является создание пространственно-неоднородной математической модели экосистемы моря Бохай, анализ и прогноз процесса эвтрофирования его вод методами имитационного моделирования.
В связи с поставленной целью работы, автором диссертации решались следующие задачи:
1. Создание банка данных, содержащего цифровые модели полей
физических, химических и биологических характеристик вод моря;
2. Выполнение анализа внутригодовой и пространственной
изменчивости компонент морской экосистемы, внешних воздействий на нее и
формулировка вербальной модели экосистемы;
3. Выполнение многокритериальной оценки современного трофического
статуса моря, и построение цифровых моделей степени эвтрофирования его
вод;
4. На основе уравнений адвективного переноса и турбулентной
диффузии неконсервативных субстанций формулировка и реализация на
ЭВМ пространственно-неоднородной модели экосистемы моря;
5. Выполнение на модели анализа влияния внешних воздействий и
факторов среды на эвтрофирование моря;
6. Реализация серии модельных сценариев развития процесса
эвтрофирования моря на двадцатилетнем временном интервале при
различных антропогенных воздействиях.
Исходные материалы. В работе использована информация о пространственно-временном распределении компонент экосистемы и внешних воздействий на нее, приведенная в изданных в Китае атласах «Marine atlas of Bohai Sea Yellow Sea East China Sea», Hydrology; Climatology; Chemistry и Biology, а также «ШЩМШШШ5%іШ}ІаШ%№іШ» .
Эта информация использована для построения цифровых моделей полей физических, химических и биологических характеристик в узловых точках сеточной области, аппроксимирующей конфигурацию берегов и морфологию дна моря.
Объект и предмет исследования. Объектом исследования является водная экологическая система моря Бохай, находящаяся под интенсивным антропогенным воздействием. Предмет исследования - процесс антропогенного эвтрофирования вод моря.
Методология и методика исследования. В основу работы положен дедуктивный путь познания. Облеченный в математическую форму мысленный образ морской экосистемы составляет ее имитационную модель, которая, по определению академика Н. Н. Моисеева, «представляет собой формальное описание на ЭВМ изучаемого явления во всей его полноте на грани современного понимания науки». Модель используется для анализа степени влияния внутрисистемных и внешних факторов на процесс
эвтрофирования моря, а также для реализации серии сценариев прогностического характера о поведении экосистемы при усилении антропогенных нагрузок.
Имитационная модель экосистемы моря Бохай построена на детерминистских принципах. При ее формулировке использованы: законы сохранения вещества и количества движения; принципы толерантности и Митчерлиха; формулы энергетической гидробиологии; уравнения кинетики химических реакций и т. п. Такой подход к формулировке имитационной модели позволяет говорить о ее относительной универсальности.
Предлагаемая в диссертации имитационная модель сформулирована в виде системы существенно нелинейных дифференциальных уравнений в частных производных - уравнений адвективного переноса и турбулентной диффузии неконсервативных субстанций с соответствующими начальными и граничными условиями. Правые части уравнений, ответственные за описание скоростей обменных процессов между компонентами биоценоза и биотопа, формулируются на основе уравнений баланса вещества в экосистеме. Граничные условия отражают процессы обмена веществом и энергией с соседними водными экосистемами, экосистемами суши и атмосферой. Явления подсеточного масштаба учитываются параметрически.
Экосистема моря Бохай представлена в виде двухслойной структуры: верхнего продукционного слоя толщиной 5 м и нижнего деструкционного слоя переменной толщины, которую принимаем равной 20 м. Обмен веществом между слоями происходит в процессах вертикальной турбулентной диффузии компонент экосистемы и гравитационного осаждения взвешенных субстанций. Поля ветровых и стоковых течений, ответственные за адвективный перенос компонент экосистемы, рассчитываются методом полных потоков В. Б. Штокмана.
Процедура моделирования сводится к численному решению краевой задачи для системы дифференциальных уравнений 30-ого порядка в узловых
точках сеточной области, аппроксимирующей конфигурацию береговой черты и морфологию дна моря.
Для распознавания трофического статуса моря по фактическим данным и по результатам моделирования его экосистемы в соответствии с прогнозными сценариями антропогенных нагрузок использована единая методика многокритериальной оценки степени эвтрофирования водоемов, предложенная В. В. Дмитриевым и Н. В. Ховановым.
Научная новизна. Работа содержит научную новизну как в теоретическом, так и в прикладном отношениях.
В теоретическом плане впервые:
- сформулирована и реализована двухслойная пространственно-
неоднородная непрерывная имитационная модель начальных и
промежуточных звеньев водной экологической системы, предназначенная для
анализа и прогноза развития процессов антропогенного эвтрофирования вод;
при численном интегрировании системы уравнений адаптирован предложенный Г. И. Марчуком метод шестиэтапного расщепления дифференциальных уравнений в частных производных параболического типа. Предложен и реализован метод трехэтапного расщепления уравнений;
выполнено сравнение двух модификаций модели экосистемы, сформулированных в виде краевых задач с граничными условиями первого и третьего рода всюду на боковых границах. При этом граничные условия первого рода получены путем реализации точечных и двухрезервуарных моделей экосистемы, представляющих собой системы обыкновенных дифференциальных уравнений 15-ого и 30-ого порядков соответственно.
В прикладном плане впервые:
- выполнена многокритериальная оценка современного. трофического
статуса моря Бохай;
- реализована пространственно-неоднородная модель функционирования
начальных и промежуточных звеньев пелагической экосистемы моря Бохай;
- на годовом временном интервале выполнены модельные оценки влияния циркуляции вод, концентрации тяжелых металлов, речного, берегового и атмосферного стока азота и фосфора на процесс эвтрофирования моря Бохай, а также - оценка самоочищения моря в процессах экологического метаболизма гидробионтов.
Практическая значимость.
В условиях ускоренного развития промышленности и сельского хозяйства Китая, повышенного внимания правительства к охране морских ресурсов и развитию аквахозяйства, анализ и прогноз возможного эвтрофирования моря Бохай имеет важное народнохозяйственное значение. Предложенная в диссертации методика может найти применение в создаваемой в Китае системе комплексного управления морским хозяйством.
Предложенная в работе имитационная модель водной экосистемы представляет собой рабочий инструмент для оценки причин и прогноза эвтрофирования внутренних морей, озер и водохранилищ.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на Международной конференции «Реальный и виртуальный мир нового тысячелетия» (Санкт-Петербург, 2002 г.); на научной сессии Даляньского политехнического университета (Китай, г. Далянь, 2004 г.); на итоговой научной сессии факультета география и геоэкологии Санкт-Петербургского государственного университета (2005 г.).
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
Покомпонентный анализ современного состояния экологической системы моря Бохай и многокритериальная оценка трофического статуса его вод;
Конструкция и алгоритмическая реализация пространственно-неоднородной двухслойной имитационной модели водной экосистемы. Оценка влияния двух модификаций численного метода интегрирования уравнений модели и двух типов граничных условий на результаты
моделирования;
3. Модельная оценка степени влияния речного, берегового и
атмосферного стока биогенов, концентрации тяжелых металлов, ветровых и
стоковых течений на процесс антропогенного эвтрофирования вод. Оценка
самоочищающей способности экосистемы;
4. Прогнозные оценки процесса эвтрофирования вод моря Бохай при
различных сценариях антропогенных нагрузок на его экосистему.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы 255 страниц, в том числе 105 рисунков, 40 таблиц. Список литературы содержит 99 наименований.
%
1.Общая концепция моделирования морских экологических систем.
Пространственно-неоднородные 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. Полная постановка задачи имитационного моделирования водных экосистем, основанная на применении теории сплошной среды, впервые в отечественной литературе была дана Ю.Н. Сергеевым (1972) [46]. Существует обширная литература, посвященная различным аспектам моделирования водных экосистем. Не останавливаясь на ее анализе, назовем лишь несколько обобщающих работ, в которых проблема рассматривается в достаточно полном виде (Сергеев, 1977, 1979, 1981, 1997 [49, 47, 51, 50]; Кочиков, 1978 [24]; Беляев, 1987 [7]; Страшкраба, Гнаук, 1989 [57]; Дмитриев, 1995 [12] и др.).
Основные этапы имитационного моделирования морской экосистемы
Конструирование и реализация имитационной модели происходит в несколько этапах. Эти этапы изображены на рисунке 1.2.1 по [57]. I этап. Сбор, изучение и занесение в базу данных информации о компонентах экосистемы моря и ее современном состоянии. Такая информация о море Бохай приводятся во второй главе диссертации. 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 метод 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 обусловлены специфическими требованиями к информации, необходимой для моделирования экосистемы. К сожалению, до настоящего времени специальных исследований, ориентированных на моделирование экосистемы моря Бохай, не проводилось. Поэтому в диссертации используются только данные стандартного мониторинга. 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. Этап алгоритмической реализации включает в себя также окончательный выбор сеточной области моделирования и определение вида краевых условий на границах области моделирования. Важнейшим этапом алгоритмической реализации модели является 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. Важнейшим этапом в конструировании имитационной модели является определение способов описания скоростей обменных процессов в экосистеме. Связи и взаимодействия биологических компонент 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. Решение этих проблем невозможно без использования ГИС-технологий. Рассмотрим эту проблему применительно к моделированию экосистемы моря Бохай. Сеточная область содержит 288 узловых точек в верхнем слое и 140 в нижнем. В каждой узловой точке моделируется 16 компонент экосистемы, задаются температура воды и составляющие скорости течения: (16+1+2) (288+140) = 8130. На точки, находящиеся в верхнем слое, еще воздействуют приток шести видов биогенных веществ и атмосферное давление: 288 (6+1) = 2016. При моделировании годового развития экосистемы с шагом по времени 1 сутки в памяти ЭВМ должно сохраняться (8130+2016) 360 = 3,6 106 чисел. Если решается прогностическая задача на 20-летний временной интервал, то объем информации становится равным 3,6 10б 20 = 7,2 107 чисел. На шестом этапе осуществляется также оптимизация параметров модели и проводится проверка ее работоспособности по ряду критериев.
Пространственно-временная изменчивость температуры воды и ледовый режим
Температура воды является одной из важнейшей гидрологических характеристик режима любого морского бассейна. Она, наряду с освещенностью и концентраций биогенных веществ, относится к числу основных экологических факторов, определяющих функционирование фитоценоза. Она также оказывает большое влияние на вторичную продуктивность водоема, на скорость разложения и минерализации органических веществ. Градиенты температуры в пространстве и во времени существенным образом сказываются на распространении организмов [36].
Термический режим моря Бохай складывается в первую очередь, под влиянием радиационных факторов. Водообмен через проливы с Желтым морем имеет второстепенное значение.
В поверхностном слое моря минимум температуры наблюдается в феврале и колеблется от -1 до 0С в заливах моря. В проливах Лаотешань и Бохайхайся, соединяющих море Бохай с Желтым морем, февральская температура составляет 3С. Максимальная поверхностная температура достигает +26 - +27С в июле - августе в заливах, и +21 - +24С в проливах. Карты распределения температуры на поверхности в различные месяцы года и в придонном слое по сезонам приведены на рисунках 2.2.1 - 2.2.3.
Ведущими факторами, определяющими вертикальное распределение температуры моря Бохай, в осенне-зимний период является конвективное и волновое перемешивание. Воздействие этих факторов приводит к выравниванию температуры от поверхности до дна моря. Вертикальная гомотермия встречается повсеместно. Не является исключением даже зона проливов.
В весенне-летний период основными факторами, формирующими вертикальные профили температуры, являются радиационный прогрев вод и волновое перемешивание. Весенне-летний прогрев толщи воды начинается в апреле и к августу достигает своего максимума. Однако небольшие глубины и интенсивное волновое перемешивание препятствуют образованию отчетливо выраженного слоя термоклина. Температура постепенно (почти по линейному закону) понижается от поверхности до глубины 10 - 20 м и выравнивается на больших глубинах, достигнув минимальных значений. Это обстоятельство позволяет говорить о двухслойной структуре ПОЛЯ температуры воды в весенний и летний сезоны года.
В сентябре поверхностный слой моря начинает терять тепло и к ноябрю температура во всей толще вод выравнивается. Влияние адвекции тепла из Желтого моря наиболее заметно проявляется в зоне проливов и в центральной части моря. От центра моря температура постепенно снижается к устьевым зонам заливов на 3С - 4С осенью и на 1С - 2С зимой (рис. 2.2.2 д, 2.2 А а и 2.2.3 г, а). Наибольшие горизонтальные градиенты температуры встречаются в заливе Бохайвань. Весенний и летний прогрев толщ вод начинается с мелководных заливов моря. Здесь температура воды на поверхности в мае достигает +14 - +17С, а в придонном горизонте - +12 - +16С (рис. 2.2.1 д и 2.2.3 б). К августу прогревается вся толща вод моря, включая и зону прилива. В устьевых зонах заливов в придонном горизонте температура воды поднимается до +24 - +26С, а в центральной части и проливах моря до +18 - +20С (рис. 2.2.3 в). Вертикальные разрезы полей температуры моря Бохай в различные сезоны года представлены на рисунках 2.2.4 - 2.2.6. На разрезах отчетливо видна гомотермия вод моря в осенне-зимний период и значительная температурная стратификация - в весенне-летний период. График годового хода температуры вод на поверхности моря иллюстрирует рисунок 2.2.7. Из рисунка видно, что годовые колебания температуры воды повсеместно достигают +22 - +27С. Годовой ход температуры ассиметричен. Осеннее падение температуры происходит значительно быстрее, чем ее весенний рост, что объясняется небольшой толщей водных масс вовлеченных в процесс осенне-зимней конвекции. Ледовый режим. Под влиянием резко континентального климата северной части азиатского материка, характеризующегося суровой холодной зимой, прибрежные, особенно, северные районы моря Бохай на протяжении четрырех месяцев покрываются сплошным ледовым покровом. Ледостав начинается с первой половины ноября - первой половины декабря в Ляодунском заливе и распространяется на юг. Расстояние от берега до кромки сплошного льда в устьевых зонах заливов изменяется от 5 до 10 км, а в других прибрежных районах моря - от 1 до 5 км. Толщина льда колеблется от 30 до 40 см. Максимальная толщина льда в Ляодунском заливе достигается 60 см. В открытом море дрейфующий лед встречается в январе - феврале. Ледотаяние в море Бохай начинается в конце февраля - середине марта, в направление с юга на север.
Взаимосвязь категорий трофического статуса водоема и качества его вод
Понятия трофического статуса водоема и качества его вод взаимосвязаны. Антропогенное повышение трофического статуса, выражающееся в увеличении биологической продуктивности водоема, вызывается обогащением вод биогенными веществами, поступающими с бытовыми и промышленными стоками, а также с поверхностным стоком с сельскохозяйственных угодий. Повышение продуктивности приводит к «цветению воды» и, как следствие этого, - к вторичному загрязнению водоема органическими веществами.
Термином «качество воды» обозначается сочетание химического и биологического составов и физических свойств воды, определяющих ее пригодность для конкретных видов водопользования [30]. В этом определении отражается антропоцентрический подход к понятию качества воды. Расширение понятия достигается добавлением условия необходимости соответствия воды требованиям охраны окружающей среды, что отражает геоцентрический подход к качеству воды. Для характеристики загрязнения воды разлагающимися органическими веществами используется категория сапробности водоема, которая устанавливается по видовому составу и биомассе организмов - биоиндикаторов (сапробобионтов). Увеличение сапробности, идентифицирующее снижение качества воды и синхронное повышение трофности водоема, породило появление терминов «трофосапробность» и даже «трофосапробный статус». Поскольку с ростом трофности водоема ухудшается качество его вод, категорию трофности можно рассматривать как подмножество категории качества воды. Это позволяет в значительной степени унифицировать состав информации, необходимой для диагностики трофического статуса и качества вод.
При оценке качества воды к характеристикам трофности добавляются антропогенные поллютанты, такие, как тяжелые металлы, нефтепродукты, пестициты, детергенты и др. Заметим, что они оказывают непосредственное влияние и на продукционные возможности экосистемы. Их невысокие концентрации приводят организмы в стрессовое состояние и способствуют увеличению продукционных возможностей экосистемы, а значит, - и эвтрофированию водоема. При высоких концентрациях загрязняющих веществ организмы находятся в угнетенном состоянии или гибнут, и продукция экосистемы снижается. Количественная оценка влияния концентраций тяжелых металлов на скорость роста водорослей приводится в работе [19].
Однако категории «трофический статус» и «качество вод» существенно отличаются. Качество вод - это динамическая категория. Оно может изменяться практически мгновенно под влиянием того или иного антропогенного фактора или группы факторов и определяться по данным одной экспедиционной съемки. Трофический статус - более статичная категория, непосредственно связанная с процессами энерго- и массообмена в экосистеме. Он обычно находятся по осредненным на значительном временном интервале рядам наблюдений.
Установление пространственной изменчивости трофического статуса и качества вод моря - это типично классификационные задачи. Они состоят в отнесении конкретного района к определенному классу, т. е. к нахождению таких решающих правил в пространстве классификационных признаков, которые обеспечивают наибольшую точность распознавания. Такая постановка задачи предусматривает, что известен, во-первых, словарь признаков и их градации, а во вторых, - алфавит классов.
Для идентификации степени трофности водоемов рядом авторов предлагаются однокритериальные классификации. В них учитываются различные классификационные признаки: величина первичной продукции, средняя биомасса фитопланктона, концентрация хлорофилла «а», суммарная биомасса рачков-фильтраторов, биомасса бентоса, численность бактерий, концентрации взвешенного органического вещества, общего фосфора и азота, фосфатов, аммонийного азота, нитритов и нитратов, прозрачность воды и т. д. Достаточно полная сводка одномерных классификаций (по 51 признаку) приводится в статье [16]. Алфавит классов обычно содержит 3- 4 элемента: олиготрофный, мезотрофный, эвтрофный и гипертрофный водоемы. Иногда используются и промежуточные классы трофности: ультраолиготрофный, мезотрофно-эвтрофный и др. Классификации приводятся по осредненным за многолетний временной интервал, год или вегетационный сезон данным.
Для оценки качества вод широко применяются также однокритериальные классификации, позволяющие характеризовать загрязненность водоемов по отдельным показателям физической (прозрачность, мутность, жесткость), химической (с использованием ПДК различных загрязняющих веществ) и биологической природы (сапробность, токсичность, концентрация хлорофилла «а», численность и биомасса различных таксономических групп гидробионтов и др.). Алфавит классов качества воды обычно содержит 5-6 элементов: очень чистые, чистые, умеренно загрязненные, загрязненные, грязные и очень грязные воды. Анализ градаций одноименных признаков трофического статуса и качества вод позволяет провести параллели между элементами алфавитов классов этих категорий. Олиготрофный статус приблизительно соответствует очень чистым водам, мезотрофный - чистым, мезотрофно-эвтрофный -умеренно загрязненным, эвтрофный - загрязненным, гипертрофный -грязным и очень грязным. Для решения этих задач использовались однокритериальные классификации [53] (таб. 3.3.1). Выбор классификационных признаков определялся исключительно составом картографической информации, имеющейся в атласах [81, 79, 80]. Море Бохай во многом сходно с Финским заливом. Это выражается в широтном положении, значительной степени замкнутости, малых глубинах, небольшой прозрачности вод, существенном влиянии речного стока на гидрологический режим, значительных антропогенных нагрузках на водные экосистемы. Особенно велико сходство между восточной частью Финского залива и заливами Ляодунский, Бохайвань, Лайчжоувань, в которые впадают крупные реки. Поэтому при выборе градаций признаков трофности и качества вод моря Бохай за основу приняты градации, использованные в работах В. В. Дмитриева и соавторов для восточной части Финского залива [16]. Недостающая информация (например, градации продукции фитопланктона и биомассы зоопланктона) принята по данным сводной таблицы критериев распознавания трофности водных экосистем [56]. Частичные изменения градаций связаны с возможным размахом пространственно-временного распределения гидрофизических, гидрохимических и гидробиологических характеристик моря, а также с расширением традиционного алфавита классов трофности (введением мезотрофно-эвтрофного класса). Это позволяет, во-первых, детализировать картину эвтрофирования моря и, во-вторых, унифицировать градации признаков и размерность алфавитов классов трофического статуса и качества вод.
Методика перехода от уравнений баланса вещества к уравнениям баланса скоростей массообмена
Установление степени соответствия модели системе-оригиналу является обязательной процедурой при решении любой прикладной задачи. Однако необходимые и достаточные критерии адекватности имитационных моделей экосистемам-оригиналам пока не установлены. Согласно статистической сводке, составленной Т. А. Айзатуллиным и И. В. Шамардиной [1], в большинстве работ вопросы адекватности либо вообще не рассматриваются (более 80% работ), либо адекватность модели оценивается путем сопоставления данных моделирования с натурными наблюдениями, использованными при построении модели (13% работ). Считается, что модель прошла идентификационную процедуру, если временная изменчивость смоделированных и натурных компонент близки друг к другу.
В процессе идентификации осуществляется оптимизация параметров модели. Оптимизацией параметров называется коррекция численных значений коэффициентов энерго-массообмена с целью получения наилучшего соответствия между смоделированными и натурными значениями компонент экосистемы. Дело в том, что параметры энерго-массообмена между биологическими и химическими компонентами, определенные в ходе лабораторных исследований неизбежно содержат ошибки репрезентативности. Эти ошибки связаны с ограниченным числом опытов с различным по таксономическому и биохимическому составу материалом, собранным в различных географических районах. Ошибки репрезентативности устраняются в процессе оптимизации параметров энерго-массообмена. Процедура оптимизации осуществляется при многократном повторении решения задачи моделирования. В качестве второго, более жесткого критерия адекватности (7% опубликованных работ) используются данные верификации модели. Верификацией называется проверка соответствия данных моделирования натурным данным, не использованным при построении модели. Считается, что модель удовлетворяет второму критерию адекватности, если хороший прогноз дан при неизменных численных значениях параметров, ответственных за описание процессов экологического метаболизма и деструкции вещества в экосистеме. Наиболее жестким является третий уровень адекватности. Он также предполагает неизменность численных значений свободных параметров, но уже в тестовых задачах с изменяющимися начальными условиями, а также внешними воздействиями на систему. Такие изменения должны проводиться в достаточно широком диапазоне численных значений, вплоть до вызывающих перестройку экосистемы. В качестве критериев близости модельных и натурных данных используются различные метрики: относительные ошибки, средние арифметические и средние квадратические ошибки, коэффициент корреляции и т. д. Для проверки степени соответствия модели экосистемы моря Бохай системе-оригиналу по третьему критерию адекватности использованы данные о временной изменчивости концентрации минеральных биогенных веществ в трех в достаточной мере изолированных друг от друга заливах моря: Ляодунском, Бохайвань и Лайджонском. В период с 1982 по 1998 гг. в этих заливах произошла ассинхронная перестройка продукционного звена экосистемы, выразившаяся в смене биогенного элемента, лимитирующего процесс первичного продуцирования органического вещества. Отношение суммарного минерального азота к суммарному минеральному фосфору изменилось от 0,7 - 1,8 в 1982 г. до 22 - 33 в 1998 г. Это феноменальное явление, связанное, по-видимому, с интенсификацией сельскохозяйственного производства, представляет интерес с двух точек зрения. Во-первых, появляется возможность тестировать имитационную модель с использованием независимой натурной информации для трех районов моря с изменяющимися начальными условиями и внешними воздействиями на 168 экосистему, но при неизменных численных значениях параметров, ответственных за описание скоростей процессов экологического метаболизма и деструкции вещества. Во вторых, изучение реакции морской экосистемы на смену биогенного лимитанта первичной продукции методом математического моделирования представляет существенный интерес само по себе. При решении тестовых задач для заливов моря Бохай начальные условия для системы уравнений (4.3.29) отнесены к началу года (первому января) -времени стагнационного состояния экосистемы. В качестве начальных условий для компонент Р04, N02, NO3, NH4 были приняты среднегодовые концентрации этих характеристик в 1982, 1992, 1998 гг. Эти данные приведены в разделе 2.3 (рис. 2.3.14). Начальные условии для биомасс фито-, зоо- и бактериопланктона принимались по данным, приведенным в раздела 2.4. При задании начальных концентраций азота и фосфора, входящих в состав растворенных органических соединений, использовались отношения вида N/NO3, Р/Р04, характерные для экосистемы Финского залива [48]. Начальные концентрации лабильного и стойкого детрита, органического углерода, СО2, О2 и вещества X приняты такими же, как в Финском заливе. Ежесуточные значения температуры воды в каждом из заливов получены методом интерполяции ежемесячных значений, снятых с карт распределения температуры, приведенных в разделе 2.2.1. Годовой ход освещенности поверхности моря рассчитывался теоретически по методике, приведенной в разделе 2.2.3. Мутность воды всюду принята постоянной и равной 5 мг/л. Ежесуточные значения скорости ветра и атмосферного давления получены путем интерполяции ежемесячных значений этих характеристик (таб. 2.1.2; 2.1.3), и приняты одинаковыми для всех трех заливов моря. Константы функциональных зависимостей, ответственных за описание интенсивностей процессов экологического метаболизма и деструкции вещества, во всех тестовых задачах приняты неизменными (таб. 4.3.1). Результаты решения тестовых задач для каждого из заливов представлены в таблице 4.5.1. Анализ таблицы показывает, что натурные и смоделированные среднегодовые концентрации биогенных минеральных веществ и отношения Nr/Pr, характеризующие степень эвтрофирования моря, достаточно близки.
