Содержание к диссертации
Введение
1. Математическое моделирование пространственных характеристик морских экологических систем. Компартментальный подход 11.
1.1. Компартментальный подход к моделированию экосистем 11
1.2. Океанографическая характеристика объектов исследования 20
2. Количественная оценка механизмов формирования пространственной неоднородности солености и температуры воды для среднемноголетних условий и при вариации климатических факторов 65
2.1. Моделирование взаимодействия водных масс и формирования пространственной неоднородности полей солености и температуры воды 66
2.2. Охотское море 79
2.3. Карское море 95
2.4. Море Лаптевых 105
2.5. Азовское море 110
2.6. Черное море 119
2.7. Обская губа и Енисейский залив 123
2.8. Печорская губа 130
3. Анализ процессов переноса и седиментации терригенного материала в Азовском море 137
3.1. Моделирование переноса и седиментации взвешенного вещества 138
3.2. Количественная оценка осадконакопления терригенного материала в Азовском море в период антропогенного преобразования стока (1940-2000 гг.) 144
3.3. Закономерности переноса и захоронения в Азовском море твердых техногенных примесей (современный период) 160
4. Оценка влияние абиотических факторов и особенностей водного обмена на пространственно-временную изменчивость продукции и деструкции органического вещества (на примере Охотского моря) 168
4.1. Моделирование пространственного распределения и сезонной изменчивости продукции и деструкции органического вещества 169
4.2. Роль оседания в сезонном цикле одноклеточных водорослей. Теоретический аспект 179
4.3. Влияние абиотических факторов и особенностей водного обмена на сезонную динамику и пространственное распределение продукции органического вещества в Охотском море 194
5. Изучение процессов вселения чужеродных организмов в морские экосистемы (на примере Азово-Черноморского бассейна) 202
5.1. Компартментальная модель трофодинамики 203
5.2. Модель популяции мнемиопсиса 214
5.3. Моделирование процесса интродукции чужеродных популяций в сложившиеся биологические сообщества. Теоретические аспекты вселения 216
5.4. Изменения в экосистемах Черного и Азовского морей при вселении мнемиопсиса. Трофодинамический анализ 221
5.5. Закономерности пространственного расселения гребневика мнемиопсиса в Черном и Азовском морях 244
6. Моделирование динамики радиоактивного и химического загрязнения морских систем 258
6.1. Реконструкция загрязнения экосистемы Азовского моря после Чернобыльской аварии с применением математических моделей 137CSH 25 8 90Sr
6.2. Оценки выноса загрязняющих веществ из устьевых областей и шельфовой зоны морей Российской Арктики 283
Заключение 301
- Океанографическая характеристика объектов исследования
- Количественная оценка осадконакопления терригенного материала в Азовском море в период антропогенного преобразования стока (1940-2000 гг.)
- Роль оседания в сезонном цикле одноклеточных водорослей. Теоретический аспект
- Изменения в экосистемах Черного и Азовского морей при вселении мнемиопсиса. Трофодинамический анализ
Введение к работе
Актуальность проблемы. Строительство на лессовых просадочных грунтах, расположенных на территории РФ и в частности Алтайского края, связано с большими трудозатратами. При проектировании оснований, сложенных лессовыми просадочными грунтами, необходимо применять мероприятия, исключающие или уменьшающие просадки до допустимых значений. Эта задача может быть решена только при полной консолидации всей сжимаемой толщи грунта, иногда достигающей нескольких десятков метров. В этом случае требуется применение глубоких и сложных фундаментных конструкций, либо устройство дорогостоящих свайных фундаментов, прорезающих всю просадочную толщу и опирающихся на непросадочные грунты. Длина свай в некоторых случаях достигает 12-15 и более метров.
Прочность, устойчивость и долговечность зданий и сооружений, возводимых на таких грунтах, во многом зависят от полного исключения возможности замачивания основания в процессе эксплуатации. Аварии водо-проводящих инженерных коммуникаций и подтопление территории вызывают резкое снижение прочностных и деформационных характеристик основания. В данных обстоятельствах лессовый грунт переходит в разряд слабых грунтов и возникает неравномерная просадка, что приводит к разрушению надземных сооружений и коммуникаций.
При проектировании целесообразнее идти по пути устранения просадочных свойств и повышения прочности грунтового основания закреплением или динамическим уплотнением. Одним из простейших и экономичных методов уплотнения является поверхностное уплотнение грунтов трамоов-ками различного веса. От степени устойчивости земляного сооружения и прочности грунтов основания зависит долговечность возведенных зданий и сооружений, что в дальнейшем повлияет на расход средств на их эксплуатацию и ремонт.
Анализ литературных источников показывает, что до настоящего времени не до конца изучены процессы, происходящие в грунте при уплотнении тяжелыми трамбовками, а также влияние различных факторов на устойчивость и надежность уплотненных лессовых грунтов.
Целью работы является исследование влияния различных факторов на создание прочного грунтового основания уплотнением трамбовками повышенного веса, а также на его устойчивость и надежность в процессе эксплуатации.
В работе решались следующие задачи:
1. Исследование напряженно-деформированного состояния грунтового основания в процессе уплотнения его трамбовками.
2. Проведение исследований изменения физических, прочностных и деформационных характеристик лессовых грунтов различной влажности в результате уплотнения трамбовками различной массы, диаметра и при разнообразной энергии удара.
3. Анализ влияния микроструктуры грунта на изменение физико-механических характеристик.
4. Изучение влияния замачивания уплотненного грунтового основания на изменение физико-механических свойств и микроструктуры грунта.
5. Исследование влияния фактора времени на устойчивость и надежность уплотненного грунта.
Методы исследований. Основные положения и выводы диссертационной работы основаны на теоретических, экспериментальных и лабораторных исследованиях проведенных в течение нескольких лет.
Деформационные, прочностные и другие физико-механические характеристики лессовых уплотненных грунтов определялись с использованием автоматизированной системы для инженерно-строительных изысканий типа АСИС-18/4 по стандартным методикам.
Микроструктурные характеристики грунта в естественном состоянии и после уплотнения трамбовками различного веса и диаметра изучались с помощью комплекса растровой электронной микроскопии (РЭМ-микроЭВМ).
Для проведения полевых исследований по влиянию внешних факторов на качество и контуры уплотненных лессовых грунтов, а также для отработки технологии уплотнения грунтов, находящихся в различных природно-климатических условиях, использовалась специальная, не имеющая аналогов, малогабаритная экспериментальная установка МЭУ -720.
Напряженное состояние в грунте измерялось тензометрическими датчиками давления (мессдозами) с гидравлическим преобразователем конструкции ЦНИИСКа типа ПДП-70/11 (автор Д.С. Баранов) с предельным давлением от 0,3 до 0,45 МПа. Для фиксирования и обработки показаний мессдоз при изменении напряжений в грунте при трамбовании использовалась микропроцессорная многоканальная тензометрическая система ММТС-64.01.
Исследование деформируемости грунтового основания в результате трамбования выполнялось путем установки грунтовых марок по глубине под уплотняемой площадью и за ее пределами.
Исходные данные и личный вклад автора. В основу работы положены материалы исследований, выполненных автором в период с 2000 по 2004гг. Диссертационная работа выполнялась в составе временного научного коллектива кафедры "Основания, фундаменты, инженерная геология и геодезия" Алтайского государственного технического университета по разработке проблемы "Совершенствование методов устройства и расчета оснований и фундаментов на лессовых просадочных грунтах юга Западной Сибири" (тема № 3.3.1).
Кроме того, исследование различных факторов на устойчивость и надежность лессовых грунтов, уплотненных трамбовками различного веса и диаметра выполнялось при активном участии автора в рамках Межотраслевой программы сотрудничества Министерства образования Россий ской Федерации и Федеральной службы специального строительства Российской Федерации на 2001-2005 годы по направлению «Научно-инновационное сотрудничество». В 2002 году по теме: «Исследование изменения прочностных и деформационных свойств лессовых грунтов в различных природно-климатических условиях в процессе и результате их уплотнения при трамбовании» (шифр проекта - 02.04-057) и в 2004 году по теме: «Исследование влияния динамических воздействий на существующие здания и на изменение прочностных и деформационных свойств лессовых грунтов в различных инженерно-геологических условиях в процессе и результате их уплотнения при трамбовании» (шифр проекта - 01.03-03).
Научная новизна. Экспериментальные исследования позволили впервые в регионе дать комплексную оценку поведения лессовых проса-дочных грунтов при уплотнении их трамбовками различной массы, диаметра и сбрасываемых с различной высоты.
Выявлено, что наибольший эффект при трамбовании достигается при постепенном повышении контактных давлений от трамбовки на грунт. В первом цикле необходимо трамбовать грунт трамбовкой с наибольшим диаметром. Затем, при наступлении отказа, диаметр трамбовки уменьшается и уплотнение продолжается. При такой методике достигается максимальная глубина уплотненной зоны.
Результаты исследований показали, что трамбование возможно и в зимних условиях при отрицательной температуре окружающего воздуха. В результате замерзания поровой воды значительно повышаются силы сцепления в грунте, поэтому при уплотнении зимой грунт должен быть малой степени водонасыщения. Для уплотнения в таком состоянии необходимо увеличить количество затрачиваемой работы в целом и повысить динамические напряжения в грунте под воздействием удара. Трамбование производится после очистки уплотняемой площади от снега.
Проведенные полевые испытания позволили проанализировать напряженно-деформированное состояние уплотненного грунта Уплотнение лессового грунта трамбовками с постепенным повышением контактных давлений приводит к коренному изменению его микроструктуры. Под влиянием динамического уплотнения идет интенсивное разрушение глобул и агрегатов, их "расплющивание", перемещение и сближение основных элементов лессового грунта - песчано-пылеватых частиц и глинистого материала. Формируется новая матричная структура, отличающаяся от природной минимальной и относительно однородной пористостью, более плотной упаковкой элементарных частиц. Формирование новой микроструктуры сопровождается повышением прочностных и деформационных характеристик лессового уплотненного грунта.
Реализация и практическая ценность работы. На основании теоретических, натурных, лабораторных и микроструктурных исследований отработана технология уплотнения лессового просадочного грунта трамбовками различной массы для лессовых пород Западной Сибири, находившихся в различных инженерно-геологических условиях.
Применение малогабаритной установки для пробного уплотнения грунтов на стадии проектирования позволит значительно снизить трудозатраты.
На защиту выносятся:
1. Динамика изменения физических, прочностных и деформационных характеристик лессового просадочного грунта в процессе его уплотнения трамбовками различной массы, диаметра и при разной высоте сбрасывания.
2. Результаты полевых исследований напряженно-деформированного состояния (НДС) под уплотняемой площадью и за ее пределами во время и после трамбования.
3. Характер изменения микроструктуры лессового просадочного грунта в результате уплотнения различными трамбовками. Формирование новой структуры лессовых грунтов при уплотнении.
4. Результаты исследований влияния фактора времени на устойчивость и надежность уплотненного грунта.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры "Основания, фундаменты, инженерная геология и геодезия" Алтайского государственного технического университета (2000-2004), международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы проектирования и устройства оснований и фундаментов зданий и сооружений» (г. Пенза 2004г.), научно-практической отчетной конференции — выставке по результатам реализации в 2004г. Межотраслевой программы научно-иннвационного сотрудничества Министерства образования и науки РФ и Федерального Агентства Специального строительства РФ «Наука, инновации, подготовка кадров в строительстве» (г. Москва 2004г.).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 2 работы.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и списка литературы. Общий объем работы составляет 167 страниц, в том числе 65 рисунков, 15 таблиц и список литературы из 123 наименований.
Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю, д.г.-м.н., профессору Г.И. Швецову, а также сотрудникам кафедры "Основания, фундаменты, инженерная геология и геодезия" Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова, за помощь, деловые советы, консультации и полезные дискуссии.
Океанографическая характеристика объектов исследования
В данном разделе диссертации дается краткая океанографическая характеристика морских систем, которые являются объектами исследований в работе. Это Охотское, Карское, Лаптевых, Азовское и Чёрное моря, устьевые области таких рек как Обь, Енисей и Печора (рис. 1.3). Выбор этих морских систем в качестве объектов приложения рассматриваемых в диссертационной работе моделей и подходов определялся, прежде всего, задачами, которые выполнялись автором в рамках научно-исследовательских проектов по договорам с Тихоокеанским институтом рыбного хозяйства и океанографии (ТИНРО, Владивосток, 1983-1986 гг.), Арктическим и Антарктическим научно-исследовательским институтом (ГУ ААНИИ, Санкт-Петербург, 1987-2001 гг.), Азовским НИИ рыбного хозяйства (АзНИИРХ, Ростов-на-Дону, 1999 г.), грантов Российского фонда фундаментальных исследований (№ 97-04-49002, № 00-05-65379, № 03-05-65322, 1997-2003 гг.), международных грантов (ИНТАС, №96-2015, 1997-1999 гг.; FAO, 1998-1999гг.; ACOPS, 1999-2000 гг.; CRDF, REC004, 2000-2002 гг.), базовых фундаментальных научно-исследовательских работ НИИ механики и прикладной математики им. Воровича И.И. РГУ и Мурманского морского биологического института КНЦРАН. Охотское море расположено в северо-западной части Тихого океана у берегов Азии (в пределах области с координатами 43 43 -6242 с. ш. и 13510 -164045 в. д.) и относится к дальневосточным морям, Карское море (область с координатами бб О -З Об с. ш. и 52 2-104 1. д) и море Лаптевых (область с координатами 70 2-81 61 с. ш. и 95 4443 01 в. д.) лежат за полярным кругом и относятся к бассейну Северного Ледовитого океана, Азовское (область с координатами 4517 -4717 с. ш. и 3336 -3921 в. д.) и Чёрное моря (область с координатами 4056 -46033 -с. ш. и 27 27 -4142 в.д.) относятся к южным морям, глубоко врезаны в сушу, но связаны с Мировым океаном.
В обзоре сделан акцент на факторах и механизмах формирования пространственной неоднородности океанографических характеристик в этих водных объектах, определяемых их географическим положением, размерами, особенностями очертаний берегов и рельефом дна, метеорологическими процессами, материковым стоком, динамикой вод, обменными процессами с соседними водными системами и др. На основе опубликованных работ изложены основные сведения о пространственном распределении и изменчивости температуры и солености морской воды, динамике вод, ледовых условиях. .2.1. Океанографическая характеристика Охотского моря Охотское море расположено в северо-западной части Тихого океана у берегов Азии и отделяется от океана цепью Курильских островов и полуостровом Камчатка. С юга и запада оно ограничено побережьем острова Хоккайдо, восточным берегом острова Сахалин и берегом азиатского материка (рис. 1.4). Море значительно вытянуто с юго-запада на северо-восток. Наибольшая длина акватории в этом направлении равна 2463 км, а ширина достигает 1500 км. Площадь зеркала морской поверхности по некоторым оценкам составляет 1603 тыс. км2, а суммарный объем вод моря -1317 тыс. км . По своему географическому положению оно относится к окраинным морям смешанного материково-окраинного типа (Добровольский, Залогин, 1982). Гидрологический режим моря определяется особенностями его географического положения, значительной меридиональной протяженностью, суровыми климатическими условиями, характером вертикальной, горизонтальной циркуляции и водообмена с Тихим океаном и Японским морем, а также рельефом дна. У побережий существенное значение приобретают материковый сток, приливо-отливные явления, и конфигурация береговой черты. Совокупность этих факторов создает довольно сложную картину распределения гидрологических характеристик на поверхности и промежуточных горизонтах.
Рельеф дна Охотского моря во многом обусловливают особенности циркуляции вод и распределения водных масс (Удинцев, 1957; Гидрометеорологические..., 1998). Основными морфологическими зонами являются: шельф (материковая и островная отмель о. Сахалин, глубины 0-200 м, ширина 180-250 км, занимает 40% площади моря), материковый склон, на котором выделяются отдельные подводные возвышенности, впадины и острова (глубины 200-2000 м, занимает 28% площади моря) и глубоководная котловина. Курильская котловина желобами соединяется с впадинами Дерюгина и ТИНРО. От этих впадин желоба простираются также в мелководные северозападную (к о-ву Ионы) и северо-восточную (в зал. Шелихова) части моря. Имется несколько крупных заливов (Анива, Терпения, Сахалинский, Академии, Тугурский, Аян, Шелехова) и губ (Удская, Тауйская, Гижигинская и Пенжинская), определяющих особенности пространственного распределения океанографических характеристик. Проливы Невельского и Лаперуза имеют сравнительно небольшую глубину. Ширина пролива Невельского (между мысами Лазарева и Погибили) всего около 7 км. Ширина пролива Лаперуза несколько больше -порядка 40 км, а наибольшая глубина 53 км. Суммарная ширина Курильских проливов около 500 км. Наиболее важны для водообмена с Тихим океаном проливы Буссоль и Крузенштерна, так как они имеют наибольшую площадь сечения и глубину. Глубина пролива Буссоль 2300 м, Крузенштерна - 1920 м. Меньшее значение имеют проливы Фриза, Четвертый Курильский, Рикорда и Надежды, глубины которых более 500 м. Глубины остальных проливов в основном не превышают 200 м, а площади сечения незначительны. Климатические условия Охотского моря определяются особенностями его географического положения (Добровольский, Залогин, 1982; Гидрометеорологические..., 1998; Атлас..., 2002, Полякова, 1999). Охотское море расположено в муссонной климатической зоне умеренных широт, однако, для северной части моря, которая глубоко вдается в Азиатский материк, ему свойственны и некоторые особенности климата арктических морей.
Общий муссонный характер циркуляции и ветрового режима часто нарушается глубокими циклонами, которые проходят в направлении с юго-запада на северо-восток. Зима здесь, особенно в северной части моря, продолжительная и суровая, с частыми штормовыми ветрами и метелями. Лето прохладное, с большим количеством осадков и густыми туманами. Весна и осень короткие, холодные и облачные. С мая по сентябрь над акваторией моря преобладают слабые ветры (2-5 м/с) южной четверти. Случаи кратковременного резкого усиления ветра (до 20 м/с и более) связаны с выходом в море отдельных циклонов и тайфунов с максимумом повторяемости в августе-сентябре. В холодное время года над морем господствуют сильные ветры северной четверти с наиболее вероятными значениями скорости 5-10 м/с (в отдельные месяцы 10-15 м/с). Повторяемость штормовых ветров скоростью более 15 м/с в среднем за год составляет около 10%. Вероятностные характеристики скорости и направления ветра заметно различаются для отдельных районов моря. Максимальные скорости ветра достигают значений 25-30 м/с в северовосточной и западной частях моря, 30-35 м/с — в центральной и восточной и более 40 м/с - на юге. Осенне-зимние штормовые ветры по сравнению с летними отличаются большей силой и продолжительностью. Самыми неспокойными являются южный и юго-восточный районы моря. Значительная горизонтальная протяженность моря, частые и сильные ветры над акваторией способствуют развитию сильного ветрового волнения и зыби (высота волн от 4-6 до 10-11 м).
Холодный период года длится от 120-130 суток на юге до 210-220 суток на севере моря. Влияние охлаждающих факторов сказывается сильнее, чем отепляющих и результирующий теплообмен на поверхности является отрицательным. В целом, по своим климатическим условиям Охотское море является наиболее холодным из дальневосточных морей.
Величины среднегодовых значений температуры воздуха над Охотским морем постепенно понижаются с юга на север от 4-5С до минус 4...5С. Диапазон же средних месячных колебаний температур в этом направлении, напротив, возрастает от 15-18 до 30-36. Самым холодным месяцем является январь, а самым теплым - август. В январе средняя температура воздуха на северо-западе моря равна минус 20...25 С, в центральных районах минус 10...15С, только в юго-восточной части моря она равна минус 5...6С, что объясняется согревающим влиянием Тихого океана. Средняя месячная температура воздуха в августе понижается с юго-запада на северо-восток от 18С на юге до 10С на северо-востоке Охотского моря.
Количественная оценка осадконакопления терригенного материала в Азовском море в период антропогенного преобразования стока (1940-2000 гг.)
Закономерности осадконакопления в Азовском море проанализированы и обобщены в работе (Хрусталев, 1989). Цель данного раздела - на основе теоретических представлений об основных факторах и механизмах седиментогенеза внутриконтинентальных водоемов аридной зоны дать количественную оценку интенсивности осадконакопления терригенной взвеси в различных районах моря в период с 1940 по 2000 гг. с помощью разработанной компартментальной модели динамики взвешенного вещества. Для анализа и обобщения результатов имитационных экспериментов выделено три характерных периода, связанных главным образом с гидротехническим строительством в Приазовье (1-1940-1952 гг, 2-1953-1972 гг., 3-1973-2000 гг.). Источники поступления терригенного материала в Азовское море и их межгодовая изменчивость Осадочный материал поступает в Азовское море при абразии пород, слагающих берега, с речным стоком, в виде эоловых наносов в период эпизодических, но сильных бурь.
Анализ твердого стока рек, впадающих в Азовское море, до 1983 г был сделан в работах В.Г. Симова (1989), A.M. Бронфмана и Е.П. Хлебникова (1985). Нами дополнены ряды наблюдений (р. Дон - до 1995 г., р. Кубань - до 1993 г.) и на рис. 3.2 отмечены характерные вехи антропогенного преобразования гидрологического режима Дона и Кубани. По наблюдениям за расходом наносов у станицы Раздорской (р. Дон) с 1940 г. и до сооружения Цимлянского гидроузла среднемноголетний твердый сток р. Дон был равен 4.7 млн. т, изменяясь от 1.7 (1950 г.) до 7.9 млн. т (1951 г.). Средний за аналогичный период твердый сток р. Кубань составлял 9.09 млн. т, при колебаниях пределах 5.17 (1950 г.) - 14.3 (1940 г.) млн. т. После сооружения Цимлянского водохранилища объем наносов, выносимых в Таганрогский залив, уменьшился. Его значение за период с 1953 г. до 1972 г. в среднем составляло 2.6 млн. т в год, а с р. Кубань -6.8 млн. т в год. Наибольший вынос наносов р. Дон отмечался в 1956 г (6.0 млн. т), наименьший - в 1972 г. (315 тыс. т), для Кубани - в 1960 г. (10.0 млн. т) и в 1969 г. (2.24 млн. т), соответственно. За период после зарегулирования реки Кубань (1973-2000 гг.) твердый сток здесь значительно уменьшился и в среднем составлял 985 тыс. т в год, его наибольшее значение (2.3 млн. т) наблюдалось в 1973 г., а наименьшее (315 тыс. т)-в 1986 г. Поступление наносов в Таганрогский залив в среднем за период 1973-2000 гт. составляло 742 тыс. т, изменяясь в пределах 224 (1984 г.) - 2520 (1979 г.) тыс. т. Дальнейшее уменьшение твердого стока р. Дон после 1976 г. могло быть связано с пуском в эксплуатацию в 1975 г. Николаевского гидроузла. Так, в 1975 г. в зонах подпора от Николаевского и Кочетовского гидроузлов аккумулировалось соответственно около 65 и 90 % взвешенных наносов (Бронфман, Хлебников, 1985).Кроме межгодовой изменчивости твердого стока произошла его существенная деформация в сезонном распределении. В период условно естественного режима около 92% наносов выносилось на устьевое взморьер. Дон в короткий период половодья. В современных условиях относительная доля весеннего стока взвесей сократилась до 79 %. Одновременно сток наносов в летне-осеннюю и зимнюю межень увеличился соответственно от 6 до 11 % и от 2 до 10%.
Антропогенное изменение стока взвешенных наносов зарегулированных рек Дон и Кубань привело также к трансформации гранулометрического состава взвесей (табл. 3.2). В период условно естественного режима стока р. Дон изменение фракционного состава взвесей по пути к морю было сравнительно небольшим. В современных условиях степень селекции аллювиального материала в пределах Нижнего Дона весьма значительна: в период половодья на пути до морского края дельты содержание песчаных и крупноалевритовых фракций во взвеси убывает от 25.1 до 5.8 %, в межень -от 23.2 до 0.7 % (Бронфман, Хлебников, 1985). Аккумуляция песчаной и крупноалевритовой фракций взвеси в Краснодарском водохранилище определила увеличение в потоке частиц мелкоалевритовой и пелитовой размерностей (более 90 %). Суммарное содержание песчаной и алевритовой фракций взвеси в непосредственной близости от замыкающих створов устья Кубани в период условно естественного стока составляло 22-27 %, что предопределяло участие в процессах созидания авандельты около 1.2 млн. т терригенного материала в год. После зарегулирования материкового стока концентрация крупных частиц во взвеси уменьшилась до 10-15 %, и в настоящее время на взморье Кубани осаждается всего лишь 0.1-0.2 млн. т. Таким образом, произошло резкое снижение количества наносов, которое накапливается в гидрографической сети предустьевого и устьевого участков Кубани, в кубанской дельте наблюдается обогащение потока частицами пелитовой фракции.
Наиболее подробные данные по оценке абразионных процессов практически на всех участках береговой зоны Азовского моря (см. рис.3.3) были получены в 1970-1975 гг. (Артюхин, Мамыкина, 1978, 1981). В этот период максимальное количество терригенного материала поступило в акваторию открытой части моря в 1970 и 1971 г.г. (5.8 и 5.6 млн. т соответственно), минимальное - в 1974 г. (1.8 млн. т). В Таганрогском заливе максимум абразии отмечен также в 1970 г. (6.3 млн. т), а минимум в 1972 и 1974 гт. (0.4 и 0.3 млн. т, соответственно). В другие периоды сведения об интенсивности абразионных процессах отрывочны. Максимальный объем поступления материалов абразии в Азовское море в рассматриваемый период не превышал, по-видимому, 16 млн. т, а минимальный - 2 млн. тон, при среднем значении 6 млн. т (Мамыкина, Хрусталев, 1980). В последние 10 лет систематические исследования по изучению размыва всей береговой зоны практически не ведутся, за исключением работы, связанные необходимостью выполнения берегозащитных мероприятий на локальных участках. Делались попытки связать скорость абразионных процессов с разными факторами (Артюхин, Мамыкина, 1978, 1981). В отдельных случаях для расчетов абразии необходимо выполнить большой объем вычислений по оценке волнения в береговой зоне, что требует иметь в распоряжении подробную информацию о скорости ветра и т.д. На основе опубликованных данных (Артюхин, Мамыкина, 1978, 1981) была получена эмпирическая зависимость (3.8) между суммарной за год величиной абразии (у) берегов Азовского моря и штормовыми ветрами: у = 10.91п(х) - 39.2, (3.8) где у- млн. т/год, х - медиана числа дней со скоростью ветра более 11 м/с для всех береговых метеостанций Азовского моря, коэффициент корреляции -0.67.
Роль оседания в сезонном цикле одноклеточных водорослей. Теоретический аспект
В разделе представлены результаты модельного исследования влияния оседания на способность популяции получить дополнительные преимущества в сезонном развития и при освоении пространства водоема (Бердников, Ядровская, 2001). В качестве природного объекта-прототипа служит Охотское море, компартментальная модель которого (см. главу 3) применена для вычислительных экспериментов. Рост и деление клеток начинается после таяния льда в среде богатой питательными веществами и происходит преимущественно в поверхностном слое. В результате оседания вегетирующие клетки фитопланктона неизбежно попадают в нижний слой, где активная фаза их жизнедеятельности затруднена из-за низких температур и недостаточной освещенности. Вместе с тем, в этих условиях они могут переходить в состояние покоя и длительное время сохраняют свою жизнеспособность. Клетки, которые опустились на относительно большие глубины, имеют возможность вернуться в верхний слой, если в результате горизонтальной адвекции они попали в районы, где имеется апвеллинг (например, в Охотском море таких районов несколько: компартменты 5, 11, где воды нижнего слоя поднимаются к поверхности, натекая на шельф и компартмент 2, где подъем вод связан с дивергенцией западно-камчатского течения на две ветви). Второй и основной механизм возврата связан с конвекцией. В результате в шельфовых районах клетки, даже осевшие на дно и не погибшие по разным причинам, всегда имеют возможность попасть в зону фотосинтеза. В районах с глубинами более 200 м клетки, опустившиеся ниже слоя конвективного перемешивания, имеют слабые шансы вернуться в поверхностный слой. В этом случае естественно предположить, что у клеток фитопланктона скорость оседания должна быть как можно меньше. Вместе с тем данные наблюдений за природными сообществами диатомовых водорослей показывают, что наблюдается массовое оседание клеток в глубокие слои в конце вегетационного периода. Так, в северной части Охотского моря после прогрева воды и перехода к летней фазе сукцессии (июль - август) основная масса весенних диатомовых (доминирующий вид Th. nordenskioldii) оседает к нижней зоне освещенного слоя (около 30-40 м), а в слое выше пикноклина (при толщине квазиоднородного слоя около 10 м) развитие получает летнее сообщество диатомовых водорослей с преобладанием видов Chaltoceros и Rhyzosolenia (Сорокин и др., 1995).
Указываются следующие причины, которые могут служить объяснением данного явления (Smetacek, 1985): 1) в результате быстрого оседания клетки попадают в нижний слой и донные отложения, где их рассеивание в результате адвекции сводится к минимуму; 2) когда поверхностные воды прогреваются сильнее, чем это необходимо для роста и деления активных клеток, а питательная среда уже истощена, то клеткам "выгоднее" опуститься в нижние слои, где при низкой температуре и слабой освещенности они могут выживать длительное время; 3) сразу за развитием водорослей наступает развитие сообществ зоопланктона и клетки фитопланктона могут быть с большей вероятностью съедены в поверхностных водах, чем в нижних слоях. В любом из указанных случаев у диатомовых водорослей должен быть физиологический контроль над плавучестью и многочисленные примеры таких приспособленностей приведены в цитируемом нами обзоре (Smetacek, 1985). Вопрос, на который сделана попытка ответить, заключается в следующем: насколько и при каких условиях механизм более быстрого, чем в обычных условиях, оседания клеток фитопланктона в конце вегетационного периода может быть эффективным в сезонном цикле одноклеточных водорослей?
Математическая модель (4.14), которая применена здесь для исследования, представляет собой частный случай рассмотренных в разделе 4.1 модельных конструкций. d(hlZ)/dt = l2(t)x -l!(t)z - mz(t)zh!(t) ± Qj(t), (4Л4a) d(h1x)/dt=h1(t)(r,(x,t)-mx(t))x-co(t)x-?i(t)x-l2(t)x+l1(t)z + (o(t)y ± Qrft), (4.146) d(h2y)/dt = my(t)yh2(t)+ (o(t)x + X(t)x - co(t)y - X(t)y + v(t)w± Q2(t), (4. 14B) d(hsw)/dt = i(t)y - v(t)w - mw(t))w, (4.14r) ,1)= 9 9(0)9,(111(0)93( ) ) (4.14д) Здесь z, x, у, w - биомасса (мг/м ) фитопланктона во льду, воде (верхний и нижний слои), донных отложениях или глубоких слоях воды в зависимости от типа рассматриваемого района; hi, hi, h2, hs - толщина (м) соответствующего резервуара; 12(0,1і(0 - скорости образования и таяния льда (м/сут); mz(t), mx(t), my(t), mw(0 - интенсивность отмирания клеток в каждом из выделенных резервуаров (1/сут); rj(x,t) - удельная (на единицу биомассы) скорость роста биомассы клеток в воде верхнего слоя (1/сут); rm-максимальная скорость роста (1/сут), фі(Т(0), 9г(1п(0), ф3(К(0,х) - функции влияния на скорость роста температуры воды (6(t)), освещенности (In(t)) и концентрации питательных веществ (K(t)) соответственно; \(t) - скорость оседания клеток (м/сут); co(t) - скорость вертикального перемешивания водных масс (м/сут); Qi(t), Qi(t), Q2(t) - в совокупности отражают обмен между разными компартментами в результате адвекции и горизонтального перемешивания водных масс; v(t) - параметр, отвечающий за переход клеток фитопланктона из донных отложений в воду (м/сут). Для районов, расположенных в глубоководной зоне моря, v(t)=0; t - время (сут). Популяция одноклеточных водорослей представлена активными клетками, которые существуют в верхнем перемешанном слое и пассивными стадиями в остальных средах (резервуарах). Под пассивными стадиями здесь понимаются клетки, которые не растут и не делятся. Хотя для относительно мелководных районов освещенность в нижних слоях может быть достаточна для фотосинтеза, низкая температура водных масс зимнего происхождения будет препятствовать активной вегетации, поэтому в уравнении (4.14в) отсутствует слагаемое, описывающее рост биомассы водорослей. Влияние минерального питания на рост биомассы водорослей аппроксимируется функцией (Contois, 1959): фз(х) =K(t)/(K(t)+ax), (4.15) в которой K(t) - концентрация в воде питательных веществ (мг/м3), например, минерального азота; a - стехиометрический коэффициент (мг вещества/мг биомассы). В постоянных условиях, когда все рассматриваемые процессы не зависят от времени, а температура и освещенность не влияют на скорость роста, в системе уравнений (4.14) существует единственное нетривиальное # равновесие (z ,х ,у ,w ), определяемое соотношениями: х = (K/oc)(rmhi/M -1), М = h!mx + X + со(1 - уу) +12(1 - Yz), у = Yy х , Yy = (со + X)/(X(l - Yw) + со + my h2), Yw = v/(v + mwhs), (4.16) z = lix7(l2 + mzh!), w = }ty /(v + mwhs), (pi=l, cp2=l, Yz = li/Qi + mzhi). Можно показать, что условие х 0, или rmhlM l, (4.17) является необходимым и достаточным условием локальной асимптотической устойчивости этого равновесия по линейному приближению. Это условие, по-видимому, является и условием глобальной устойчивости. Когда условие (4.17) не выполняется, в системе уравнений (4.14) при постоянных коэффициентах существует только тривиальное равновесие вида __ (z =х =у =w =0). Таким образом, динамика системы (4.14) определяются динамикой активных клеток популяции, остальные стадии играют роль буфера.
Изменения в экосистемах Черного и Азовского морей при вселении мнемиопсиса. Трофодинамический анализ
В данном разделе рассматривается мультикомпартментальная трофодинамическая модель Азово-Черноморской экосистемы, которая используется для проведения ретроспективных расчётов и анализа различных сценариев вселения гребневика мнемиопсиса. С одной стороны каждый водоем представлен пространственным компартментом (боксом), с другой -пищевые сети экосистемы каждого водоема представлены в виде рассмотренной в разделе 5.1 компартментальной (многокомпонентной) модели трофодинамики (рис. 5.5). Выбор вектора состояния или набора включаемых в модель трофодинамики компонентов экосистемы, что типично для прикладных экологических моделей, является результатом компромисса между двумя противоречивыми требованиями: минимизации размерности модели (за счёт агрегирования или отбрасывания части переменных) и максимизации полноты описания трофической сети. Ограничение размерности, в данном случае, связано не с техническими проблемами при решении или исследовании уравнений, а с необходимостью идентификации и верификации. С другой стороны, модель должна учитывать достаточное для ответа на поставленные вопросы и практически полезных выводов число эндогенных и экзогенных переменных; чем их больше, тем более тонкие эффекты и связи можно обнаружить и исследовать.
Компоненты, включенные в вектор состояния, отбирались по таким критериям, как важность в планктонной трофической сети и вклад в трансформацию потока энергии, рассеиваемого экосистемой. Основные виды гидробионтов представлены в модели самостоятельно, кроме того, введены более крупные таксоны, а также агрегированная буферная переменная, характеризующая совокупность немногочисленных по отдельности и относительно разнородных популяций водных животных - «прочий зоопланктон» включающая Meroplankton, Paracalanus и т. п. Фитопланктон также не дифференцируется по таксонам. На рис. 5.6 и 5.7. представлены используемые в модели схемы трофических связей в экосистемах Азовского моря и пелагиали Чёрного моря. Перечень основных переменных, используемых в моделях и структура пищевых отношений приведены в табл. 5.1 - 5.2. Пищевые сети этих водоемов имеют ряд совпадающих компонентов: органическое вещество, фитопланктон, медузы, анчоус и мнемиопсис. Бактерии и простейшие в трофической сети Азовского моря сгруппированы в одну переменную. Для популяции анчоуса выделено 5 переменных, включая личиночную стадию. Особи возраста 3 года и старше объединены в одну переменную. Переменная с названием «Хищные рыбы» предназначена для имитации влияния хищников, прежде всего ставриды, на популяции анчоуса и шпрота в Чёрном море. Модель трофической сети Азовского моря имеет более простую структуру. Так как Чёрное море, в отличие от Азовского, является биотопом, где совершается полный цикл воспроизводства и развития как основной части популяции анчоуса, так и мнемиопсиса, в данной постановке модель Азовского моря имеет подчинённый характер и ее вектор состояния агрегирован в большей степени. Основное назначение этой модели в том, чтобы отобразить кормовую базу анчоуса и соотношение плактоннои и бентической цепей в преобразовании потока органического вещества.
Период расчетов. В качестве базового для имитационных экспериментов выбран период времени с 1966 по 2000 гт. При этом весь интервал можно условно разделить на три части: a) «период до вселения» или интервал идентификации модели (1966-1986 гг.). Этот интервал использовался в качестве калибровочного для настройки модельных параметров путём сравнения результатов расчётов (в основном, балансов) с данными наблюдений; b) «период вселения мнемиопсиса» или интервал верификации (1987-1993 гг.). На этом интервале проверялась адекватность модели, то есть сравнивались расчётные траектории модели с имевшимися в нашем распоряжении фактическими данными; c) «период » (1994-2000 гт.) или интервал подтверждения модели. Этот интервал можно использовать для оценки достоверности модели. В качестве нижней границы данного отрезка времени выбран 1994 год. Верхняя граница интервала прогнозирования может быть установлена произвольной, однако для этого необходимо иметь соответствующий прогноз управляющих (входных) воздействий, включая первичную продукцию и уловы, что не входило в нашу задачу. Ограничимся рассмотрением трёх сценариев имитационных экспериментов: Сценарий 0. Популяция мнемиопсиса не вселяется в Чёрное море. Сценарий 1. Популяция мнемиопсиса вселяется в Чёрное море. При этом в спектре питания мнемиопсиса отсутствуют личинки хамсы, хотя в небольшом количестве присутствуют личинки других рыб. Таким образом, на популяцию хамсы оказывается только опосредованное влияние в результате пищевой конкуренции (рис. 5.8-1). Сценарий 2. Дополнительно к сценарию 1 предполагается, что наряду с зоопланктоном в рацион мнемиопсиса входят личинки хамсы и, таким образом, им оказывается прямое влияние на популяцию хамсы (рис. 5.8-2, (Цихон-Луканина и др., 1991, 1993 )). Как показали имитационные эксперименты (рис. 5.9), наиболее значимым фактором, оказывающим решающее влияние на многолетнюю динамику пелагического сообщества, из совокупности всех, учитываемых в модели, является первичная продукция фитопланктона. Такой, несомненно, важный фактор, как средняя температура трофогенного слоя варьирует в существенно меньшем диапазоне. Вместе с тем, анализ сезонной динамики популяций приводит нас к выводу о том, что некоторые межгодовые эффекты могут быть объяснены внутригодовой изменчивостью. В частности, при несовпадении фенофаз развития определенного консумента и его основного кормового компонента, вызванном внутригодовой деформацией сезонного хода температур, годовые продукционные показатели могут существенно различаться при близких среднегодовых температурах. Несомненно, что к подобным эффектам может приводить и пространственная изменчивость гидрофизических условий, которой мы пренебрегаем в силу принятой постановки.
