Содержание к диссертации
Введение
Глава I Обзор математических моделей искусственных пресноводньгх экосистем
1. Водохранилища и их математическое моделирование 15
1 Моделирование пресноводных экосистем водохранилищ* 15
2 Особенности экосистем водохранилищ 19
3 Модели трофического состояния водохранилищ 21
4 Модели динамики популяций экосистем водохранилищ 24
2.. Биологические основы математического моделирования высокопродуктивной экосистемы; рыбоводного пруда 28
5 Роль микробиологических процессов в экосистеме рыбоводного пруда 28
6 Биогены, органические вещества и газовый режим рыбоводного пруда 29
7 Особенности прудового выращивания рыб в поликультуре 32
Глава II Имитационное моделирование динамики экосистемы горного глубоководного олиготрофного водохранилища 34
1 Введение 34
2 Экогидрологическая: характеристика Нурекского водо хранилища 35
3 Общая структура модели 40
4 Экологический блок модели: биогидрохимические круго вороты веществ 42
5 Гидрологический блок модели: сегментация водоема, процессы водного обмена, седиментация, перенос веществ 50
6 Проверка модели на чувствительность. Идентификация и верификация модели 56
7 Расчеты сценарных вариантов развития экосистемы. Дол госрочное прогнозирование экодинамики водоема 62
Глава III Имитационное моделирование динамики экоситемы равнинного мелководного эвтрофного водохранилища 80
1 Введение 80
2 Краткое описание экосистемы Кайраккумского водохранилища : 82
3 Структура модели. Сегментация водоема 85
4 Экологический блок модели 89
5 Гидродинамический блок 105
6 Блок перемешивания 112
7 Идентификация и верификация модели. Эксперименты с моделью 117
Глава IV Имитационное моделирование управляемой нагульной экосистемы рыбоводногопруда 124
1 Введение 124
2 Гидрологическая и физико-химическая характеристика опытного рыбоводного пруда и водоподающего канала 126
3 Микрофлора и химический состав донных отложений опытного рыбоводного пруда 131
4 Рыбоводные результаты по опытному пруду 140
5 Концептуальная модель экосистемы рыбоводного пруда 143
6 Анализ концептуальной модели экосистемы рыбоводного пруда на качественную устойчивость 145
7 Описание основных функциональных зависимостей 152
8 Идентификация модели. Компьютерные эксперименты с моделью экосистемы рыбоводного пруда 162
Заключение 170
Выводы 172
Литература 175
Приложение
- Биологические основы математического моделирования высокопродуктивной экосистемы; рыбоводного пруда
- Гидрологический блок модели: сегментация водоема, процессы водного обмена, седиментация, перенос веществ
- Краткое описание экосистемы Кайраккумского водохранилища
- Гидрологическая и физико-химическая характеристика опытного рыбоводного пруда и водоподающего канала
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время: проблемам рационального использования водных ресурсов в мире уделяется все большее внимание, так как в связи с интенсивным развитием промышленности и сельского хозяйства в различных регионах существенно увеличивается потребление воды. Вода становится,ресурсом, лимитирующим развитие, как промышленности, так и сельского хозяйства. Возникают проблемы создания и оптимального использования запасов воды в искусственных и естественных водоемах. Водохозяйственные проблемы нередко решаются, путем территориального перераспределения стока вод. В последние годы эти проблемы решаются путем строительства каскадов водохранилищ. на крупных реках, что особенно актуально для среднеазиатских республик, в которых водные ресурсы распределены крайне неравномерно.
Однако, помимо чисто гидрологического эти проблемы имеют и другой аспект, который можно назвать экологическим. Воду недостаточно собрать, накопить и подать потребителю. Важно еще, чтобы она удовлетворяла соответствующим требованиям качества. Кроме того, водохозяйственные объекты являются неотъемлемыми элементами ландшафта, окружающей среды и их нельзя рассматривать с чисто утилитарной точки зрения. В тоже время известно, что водохранилища, помимо того народнохозяйственного значения, которое они играют в энергетике и мелиорации, оказывают большое побочное, отрицательное воздействие на окружающую среду, тем; самым заметно снижая, свою экономическую эффективность. Существует не мало примеров нежелательных последствий строительства: водохранилищ как для водных, так и для. земельных, рыбных и прочих ресурсов (Владимирова, 1980; Bourne, 1972).
Продукционно-биологическое изучение многих пресноводных водоемов среднеазиатских республик показало, что в основном они относятся к олиготрофному типу. Эти водоемы, как правило, расположены на реках, которые несут большое количество минеральных взвешенных веществ и питаются снего-ледниковыми; водами с незначительными количеством био-генов; Однако эти водоемы обладают большими потенциальными возможностями для продуцирования органического вещества за счет фотосинтеза фитопланктона, чему способствуют благоприятные световые, температурные и природно-климатические условия региона.
На этой основе созданы фотосинтезирующие альгосистемы высокой: продуктивности:с возможностью управления биологическими! процессами.. Создание управляемых водных экологических систем; актуально для, оптимизации биологических процессов рыбоводного пруда. Еще в древние времена такие пруды использовались человеком для удовлетворения белковых потребностей. Высокой эффективности прудового хозяйства можно достигнуть лишь при выборе оптимальных значений таких управляющих параметров, как внесение кормов, удобрений и реаэрация водоемашри оптимальном; выборе характеристик посадочного материала. Такие управления, несомненно, воздействуют на всю экосистему пруда, вызывая порой непредсказуемые: и далеко не всегда желательные изменения в экодинамике водоема. Для учета последствий использования тех или: иных режимов;управления и оценки возможных превращений во всем комплексе причинно-следственных связей в экосистеме, естественно, нужна математическая модель..
Более того, проводимые сейчас программы мелиорации, орошения; рыбоводства1 и т.д., требуют очень строгого научного обоснования,. чтобы максимизировать их экономический эффект ш минимизировать отрицательные их воздействия «на биогеоценозы.. Сделать это невозможно без использования математического моделирования и проведения компьютерных расчетов, позволяющих прогнозировать развитие водных экосистем. Все; это и определяет особую актуальность исследуемой темы.
Цели построения математических моделей и задачи исследования. Применение методов математического моделирования для,анализа пресноводных экосистем получило широкое распространение. Тем не менее, моделей экосистем рыбоводных прудов и водохранилищ существуют сравни тельно немного. Исследования затрудняются тем, что очень часто искусственные водоемы представляют собой экосистемы, не достигшие состояния гомеостазиса, находящиеся в стадии! развития и, возможно, структурных перестроек, подверженных, кроме того, постоянному антропогенному воздействию (колебания уровня,. биогенная нагрузка). В этой ситуации математические модели, позволяющие не только спрогнозировать экодинамику водоемов, но и проверить конкретные альтернативные гипотезьъ относительно принципов функционирования их экосистем, приобретают особую ценность.
При разработке математических моделей возникает необходимость рассмотрения комплекса факторов, определяющих условия функционирования водных экосистем и учитывающих следующие процессы:
1. экологические, описывающие биогидрохимические круговороты веществ и энергии в экосистемах;
2. гидрологические, характеризующие перенос воды, биоты и растворенных веществ в водоемах в зависимости от их поступления, с водосбора и процессов внешнего водообмена;
3. гидродинамические,,определяющие структуру потоков и,распределения! веществ в экосистемах;
4. антропогенные, задающие нагрузки на водоемах, воздействие на них в результате деятельности человека;,
5. гидрометеорологические, характеризующие условия перемешивания» водных масс и их переноса внутри водоемов.
Методы исследования. В работе использованы методы имитационного моделирования, теории дифференциальных уравнений, вычислительной математики, теории вероятностей и математической статистики, механики сплошной среды, математической» экологии; проведения вычислительных экспериментов и системного анализа.
Научная новизна. Построены имитационные модели трех типов пресноводных экосистем:
горного глубоководного олиготрофного водохранилища У равнинного мелководного эвтрофного водохранилища управляемого высокопродуктивного нагульного рыбоводного пруда.
На основе этих моделей разработана общая методика имитационного моделирования экосистем искусственных пресноводных водоемов.
Отличительная черта приведенных в диссертации имитационных моделей экосистем водохранилищ от известных работ по- моделированию экосистем озер и водохранилищ (Горстко, 1976; Воинов, Воронкова, Лукьянов, Свирежев, 1981; Лукьянов, Свирежев,1984; Домбровский, Шустова, 1984; Меншуткин, Сорокин, 1975; Jorgensen,, 1976; Leonov, 1985;: Straskraba, 1973; Voinov, Svirezhev, 1984 и др.) выражается по способам описания эффектов пространственного распределения веществ.
Для анализа существенных пространственных неоднородностеш с учетом; эколого-гидрологической зональности, колебания уровня воды и температурной стратификации; в модели горного глубоководного водохранилища использован метод сегментного описания водоемов.
В имитационной? модели экосистемы равнинного мелководного водохранилища впервые использована переменная сегментация, характерной особенностью которой является то, что сегменты не зафиксированы в пространстве, а в зависимости от уровня воды геометрически могут занимать различные положения «перетекая» друг вдруга. Помимо водообмена здесь решена задача определения полей ветровых течений в водоеме с переменной границей. На примере этой модели впервые проанализирован процесс зарастания мелководий водохранилища высшей водной растительностью и влияния изъятия: биомассы макрофитов на другие компоненты экосистемы. Для; учета элективности питания рыб вводится функция вероятности потребления заменяющего или вынужденного кормов.
Характерной, разницей имитационной модели экосистемы рыбоводного пруда? от других подобных работ по моделированию экосистем прудов (например, Svirezhev, Krysanova,Voinov, 1984) состоит в уделении особого внимания роли бактерий в процессах химизма воды и ее газового режима.. На основе анализа вычислительных результатов модели показано, что по отношению к последующим звеньям трофической цепи, наиболее мае штабными являются микробиологические процессы, так как суммарная энергия, заключенная = в организмах двух трофических уровней (фито- и бактериопланктона) предопределяет биологическую продуктивность последующих звеньев трофической цепи рыбоводного пруда, включая и рыбную продукцию. Для рыб, кроме элективности питания,, здесь также учитывается зависимость усвоения пищи от величины рациона. Заключается, что при • данных климатических условиях получение высокой рыбопродуктивности можно достичь путемі подбора поликультуры рыб; максимально использующих кормовую базу рыбоводного • пруда и выбора оптимальных режимов управления экосистемы по внесению кормов и удобрений.
В работе предложен, более экономичный метод оценки чувствительности моделей к возмущениям параметров.
Практическая и научная ценность работы. Построенные модели апробированы для. экосистем искусственных водоемов Таджикистана. Полученные на ЭВМ результаты и их сравнение с имеющимися экспериментальными» данными свидетельствуют о возможности использования этих моделей при паспортизации, соответственно, Нурекского, Кайраккумского водохранилищ и Ходжамастонского рыбоводного пруда в качестве имитаторов для изучения динамики их экосистем при различных вариантах экзогенных параметров: климата, антропогенной; нагрузки, расходов воды и, т.д., так как они адекватно воспроизводят процессы, происходящие в экосистемах этих водных объектов.
Описанные: модели и методика; их построения могут оказаться весьма полезными и: при имитационном анализе других пресноводных экосистем. Результаты. работы можно использовать для, количественных и качественных исследований горных и- равнинных водохранилищ, экосистем рыбоводных прудов и для оптимального управления водными объектами, в частности, для анализа других водоемов Таджикистана (например; Рогунско-го водохранилища) и республик Средней Азии.
Полученная методика построения имитационных моделей искусственных пресноводных экосистем позволяет достаточно оперативно конструировать имитационные модели интересующих нас водных объектов, используя , разработанные блокщ схемы, элементы с предварительным их детальным анализом.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из аннотации; введения, четырех глав, заключения, выводов и четырех приложений: Полный ее объем составляет 220 страниц текста, содержит 48 рисунков: и 12 таблиц. Принята двойная; нумерация формул: первая-цифра указывает номер главы, вторая номер формулы внутри каждой главы; Нумерация рисунков и таблиц - общая для всех глав работы.
Введение посвящено научному обоснованию выбранной темы, поставленной цели и задачам исследования.
В-первой главе диссертации проанализировано большое количество математических моделей, посвященных исследованию различных пресноводных экосистем. Рассмотрены особенности экосистем искусственных водоемов, их отличия от других пресноводных объектов. Предложена.классификация этих моделей. Исследованы биологические основы математического моделирования высокопродуктивной экосистемы рыбоводного пруда. Изучена роль микробиологических процессов в динамике экосистемы рыбоводного пруда, круговорот биогенных и органических веществ в экосистеме, а также особенности прудового выращивания рыб в поликультуре.
Во второй главе построена имитационная модель экосистемы горного глубоководного олиготрофного (Нурекского) водохранилища, в третьей -имитационная модель равнинного мелководного эвтрофного (Кайраккум-ского) водохранилища ив четвертой - имитационная модель управляемой высокопродуктивной нагульной экосистемы (Ходжамастонского) рыбоводного пруда.
В заключение работы ив выводах сформулированы основные результаты работы. В приложении 1 представлены значения коэффициентов, ис пользованных в моделях экосистем водохранилищ. В приложении 2 приведены результаты многочисленных сценарных расчетов, проведенных с моделью Кайраккумского водохранилища. В приложении 3 представлены значения, коэффициентов, использованных в модели экосистемы рыбоводного пруда. В приложении 4 представлены акты.о внедрения основных результатов исследований, полученных в диссертационной работе..
Публикации. Из около 90 научных и научно-методических разработок автора, среди которых 2 монографии и 4 брошюр, свыше 50 посвящены диссертационной теме. Основные результаты работы полностью опубликованы.
Апробация работы. Результаты диссертации докладывались на научных семинарах лаборатории Математической! экологии ВЦ РАН (Москва 1980-1985), на; научных семинарах кафедр «Механика и вычислительные методы», «Информатика и моделирование» и «Прикладная математика» ТГНУ (Душанбе 1981-2000), на семинаре Института математики АН РТ (Душанбе 1982, 2003), на семинарах Отдела ихтиологии и гидробиологии Института зоологии и паразитологии АН РТ (Душанбе 1982, 1984), на Всесоюзной конференции по проблемам изучения, охраны; и рационального использования водных ресурсов (Москва 1983), на заседании Комиссии по применению; математики в биологии Московского- общества; испытателей і природы,(Москва 1983), на научном;семинаре кафедры биофизики биологического факультета МТУ (Москва, 1984), на Советско-Финскомі симпозиуме «Модели экологических систем» (Москва 1984), на апрельских научных конференциях ТГНУ (Душанбе 1985-1992), на Республиканских конференциях молодыхученых и специалистов Таджикистана (Душанбе 1985, 1987, 1989), на Всесоюзной конференции по теории и приложениям функционально-дифференциальных уравнений (Душанбе 1987), на Научно-методическом совещание по компьютеризации (Душанбе 1988), на Методическом заседании общества «Знание» Таджикистана (Душанбе 1989), на Заседании 4-й школы «Математические проблемы экологии» (Душанбе 1991), на Вторых Боголюбовских чтениях «Нелинейные проблемы дифференциальных уравнений и математической физики» (Киев 1992), на Республиканских научно-практических конференциях «Социально-экономические проблемы перехода к рыночным отношениям» (Душанбе 1993-2003); на Международной конференции «Математическое моделирование и вычислительный эксперимент» (Ташкент 1994), на Международной конференции «Дифференциальные уравнения с сингулярными коэффициентами» (Душанбе1 1996), на Международной; конференции «Математическое моделирование и вычислительный эксперимент» (Душанбе 1998), на научных семинарах кафедр «Информатика и эконометрия» и «Высшая математика» ИПС (Душанбе 1992-2003), на ежегодных научно-методических конференциях Института предпринимательства, и сервиса Таджикистана (Душанбе 1992-2003), на Республиканской конференции «Научно-техническая информация в условиях рынка. Современное состояние и перспективы» (Душанбе 2000), на второй Международной конференции «Математическое моделирование и компьютерные эксперименты» (Душанбе 2000), на Международной• конференции «Современные проблемы алгоритмизации ! и программирования» (Ташкент 2001), на 3-й научной конференции І молодых ученых Таджикистана (Душанбе 2001), на Республиканской; научной«конференции «Математическое моделирование и вычислительный эксперимент» (Ташкент 2002), на Республиканском научно-практическом семинаре «Современное состояние водных ресурсов Таджикистана — проблемы, и перспективы рационального использования (Душанбе 2003), на семинарах институтов Физики атмосферы и ВЦ РАН (Москва 2003) и т.д..
Внедрения основных результатов работы. Основные результаты исследований;, полученные в диссертационной работе, были внедрены (см. Приложение 4) в Республиканском отраслевом вычислительном центре МСХ РТ (1985) для ведения исследований по моделированию экосистем и управления водными ресурсами, включены как подсистема разработанной ; ВЦ Математического института АН РТ темы «Машины знаний по ком плексному развитию горного региона» (1985), использованы Межведомственным отделом по рыбопроизводству Института зоологии и паразитологии АН РТ при изучении биологических основ управления высокопродуктивной экосистемой рыбоводного пруда, на базе опытного рыбоводного 8-ми гектарного пруда Ходжамастонского рыбхоза РТ (1987-1988). Результаты, диссертации использовались в ТГНУ при і чтении специального курса «Применение численных методов и ЭВМ в задачах математической экологии» на отделении прикладной математики (1984-2000 гг). В. настоящее время, эти результаты используются в Институте предпринимательства и сервиса Таджикистана при чтении специального курса «Имитационное моделирование эколого-экономических систем».
Полученные научные результаты, выносимые на защиту:
1. На основе моделей экосистем горного глубоководного олиготрофного (Нурекского) и равнинного мелководного эвтрофного (Кайраккумско-го) водохранилищ и управляемого высокопродуктивного нагульного (Ходжамастонского) рыбоводного пруда разработана общая методика имитационного моделирования экосистем искусственных пресноводных водоемов.
Т. Имитационные модели водохранилищ учитывают влияние климатических факторов, биогенной нагрузки, водных режимов рек и сброса воды через плотину ГЭС. Модель экосистемы горного глубоководного олиготрофного водохранилища состоит из двух основных взаимосопряженных блоков (экологического и гидрологического), а равнинного мелководного эвтрофного — из трех (экологического, гидродинамического и перемешивания):
3. С учетом пространственных неоднородностей, экологической зональности и стратификации, Нурекское водохранилище разбито на 4 водных сегмента, а Кайраккумское — на 2 водных и 3 донных сегмента, для каждого из которых строится точечная модель, описываемая- системой обыкновенных дифференциальных уравнений:
4. Экологические блоки моделей описывают биогидрохимические круговороты веществ в экосистемах и изменение биотических и химических элементов. В гидрологическом блоке модели Нурека вычисляются; объемы его сегментов,-перетоков между ними,и определяется обмен веществ между сегментами водоема. В гидродинамическом блоке модели Кайраккума решается задача моделирования ветровых течений в водоеме с переменным уровнем и границей, вычисляются объемы водных и площадей донных сегментов. Для объединения точечных моде леи в единую сегментную сеть использован блок перемешивания, задающий обмен веществ между сегментами водоема.
5. Модель экосистемы Ходжамастонского рыбоводного пруда кроме климатических факторов и биогенной нагрузки, также: учитывает управляющие функции, такие как добавления в систему комплекса органических и биогенных веществ; а также внесения в пруд корма заводского приготовления и кормовые растения. Модель исследована на качественную устойчивость, с целью создания общей методики проектирования и построения искусственных устойчивых высокопродуктивных биосистем, планирования мероприятий по оптимальной эксплуатации рыбоводных прудов и получения максимального урожая.
6. Имитационные модели проверены на чувствительность. Отладкам проверка моделей проведены по экспериментальным и литературным данным.
7. Для модели Нурека проведено долгосрочное прогнозирование экодина-мики водохранилища, для Кайраккума - определены квазиоптимальные режимы изъятия биомассы из экосистемы: вылова рыб и выкашивания макрофитов, а для Ходжамастонского пруда проведены многочисленные сценарные варианты развития экосистемы, которые необходимы для оперативного прогнозирования и учета последствий различных режимов управления и выбора оптимальных режимов управления:
8. Рассчитанные компьютерные сценарные варианты развития экосистем показали, что все имитационные модели дают вполне разумные прогнозы динамики соответствующих водоемов.
Биологические основы математического моделирования высокопродуктивной экосистемы; рыбоводного пруда
Построение математической модели экосистемы рыбоводного пруда,. адекватной протекающим- в нем биологическим процессам,, невозможно осуществлять.без детального знания всех уровней;экосистемы от микробиологических процессов до рыбы. При этом необходимо отметить, что наиболее масштабными по; отношению к последующим звеньям трофической цепи являются микробиологические процессы, т.к. «суммарная энергия, заключенная в организмах двух трофических уровней (фито- и бакте-риопланктона) предопределяет биологическую продуктивность последующих звеньев трофической цепи: водоемов, включая и рыбную продукцию» (Новожилова и др., 1987). В некоторых работах (Воинов и др., 1986; Сви-режев и др., 1986) по математическому моделированию экосистемы как водохранилищ, так и рыбоводных прудов недостаточная роль уделяется бактериям. Чаще всего функция - бактериопланктона отождествляется с детритом или подключается; к детриту, тогда как роль бактерий,, населяющих водную толщу и донные отложения, не тождественны функциям детрита. Так, для водохранилищ, с преобладанием аллохтонного органического вещества, бактериальная продукция в несколько раз может превышать первичную продукцию, что отмечается на Кайраккумском водохранилище (Богданов, 1975). Для нагульных прудов может наблюдаться несколько иная закономерность, когдаї фотосинтез фитопланктона протекает значительно интенсивней, чем деструкция органических веществ за счет бактериальной деятельности. Но несмотря на это, бактериальная продукция экосистемы в целом уступает лишь продукции фитопланктона, которая в прудовой экосистеме по своей массе занимает первое место (Новожилова и др., 1987). Помимо создаваемой бактериоплактоном биомассы, которая включается в биотическую цепь, огромна роль бактерий и в процессах, которые существенно влияют на химический состав воды и ее газовый режим.
Насыщение воды углекислым газом в результате деструкции органических веществ, высвобождение связанных в сложных органических соединениях азота и фосфора и целого ряда других элементов, которые вновь вовлекаются в процессе формирования биомассы микроорганизмов, а углекислый газ, находясь в наиболее удобной форме (растворенный в воде), в первую очередь используется в процессе фотосинтеза; фитопланктона. По этой причине фитопланктон и бактерий: можно, рассматривать как единый взаимосвязанный микробиологический процесс.
Следовательно, микробиологические процессы, протекающие в рыбоводном пруду, являются основой, на которых базируется все дальнейшие биологические процессы круговорота веществ и трансформации органического вещества последующим звеньями вплоть до рыбы.
Механизм влияния удобрений на микрофлору, осуществляющую круговорот биогенов в прудах изучен достаточно подробно (Новожилова и др., 1987). Получить высокую конечную продукцию в рыбоводном пруду без внесения биогенных элементов практически невозможно. Исходные их количества в воде, питающей рыбоводные пруды, настолько незначительны, что они не могут вызвать «цветение» воды в прудах: Поэтому для обеспечения интенсивного развития микробиологических процессов, нужно постоянно поддерживать в воде определенные концентрации азота и фосфора. Это необходимо и с точки зрения управления видовым составом фитопланктона. Хотя, как известно, трудно противостоять сезонной смене видового состава планктонных водорослей в рыбоводном; пруду, но, в опреде ленной степени, при достаточной насыщенности воды указанными биогенами, удается избежать развития нежелательных в прудовом рыбоводстве видов сине-зеленых водорослей, например, Microcistis acrogenosa и поддерживать в планктоне определенный процент (40-50) представителей зеленых водорослей из родов Scemdesmus и Chlorella, которые в кормовом отношении наиболее благоприятны как для растительноядных рыб, так и для зоопланктона.
Например, наблюдения за сменой видового состава водорослей в рыбоводных прудах Ходжамастонского района Таджикистана в течение 1986 m 1987 гг. показали, что;в одном опытном;рыбоводном пруду, в котором поддерживались оптимальные концентрации биогенов, в мае в массе развивались зеленые водоросли, в июне—июле преобладающее положение удерживали синезеленые, в основном представители рода Merismopedia. В августе в планктоне преобладали наиболее ценные в кормовом отношении; эвгленовые (Englene Clara) и держались до конца вегетационного периода..
Следовательно, развитие в течение вегетационного периода в рыбоводном пруду микроводорослей более благоприятных в кормовом отношении во многом зависит не только от естественной смены видового состава, но и от обеспеченности их биогенами.
Интенсивное развитие: микроводорослей: в рыбоводном пруду, далої возможность иметь биомассы фитопланктона полностью обеспечивающие их потребителей (зоопланктон, рыба). При этом необходимо отметить, что и бактериопланктон в течение всего вегетационного периода 1986 г. развивался достаточно высокими темпами. Общая численность бактерий в воде рыбоводного пруда была в переделах 4-106-24-106 кл/мл хотя по? общей биомассе бактерии уступали биомассе производимой планктонными водорослями, максимальное величины достигали соответственно 22 и 77 г/м3.
Известно, что в рыбоводный пруд в обязательном порядке необходимо вносить органические вещества. В практике прудового: рыбоводства для этих целей чаще всего пользуются навозом крупного рогатого скота. К примеру, вода, поступающая в рыбоводные пруды из реки Вахш, довольно бедна органическими веществами. Перманганатная окисляемость. этой воды в 1987 г. весной составляло 0.3, летом 0.1 и осенью 0.00 мг/л. В пруду окисляемость воды была в пределах от 5 до 120 мг/л. Причем окисляемость воды возрастает от весны к осени. Проведенные эксперименты показали, что органические вещества-в значительной мере активизируют микробиологические процессы. Причем положительное влияние они оказывают при достаточном насыщении воды биогенами.
В процессе выращивания рыбы, в пруд поступает значительное количество их испражнений, но исследования показали, что на обогащение воды органическими веществами они влияют довольно слабо. Скорее всего, это, видимо, связано с тем, что фекалии рыб относятся к сложной органике, которая трудно разлагается. Увеличение количества органических веществ в воде рыбоводного пруда наблюдается начиная с августа. К этому периоду органические вещества внесенного навоза уже полностью использованы, а обогащение пруда органикой идет в этот период, видимо, за счет разложения фекалий рыб. Хорошим индикатором органических веществ является эвгленовые водоросли, массовое их развитие наблюдается в период оптимального насыщения прудовой воды органическими веществами. «Цветение» воды в пруду эвгленовыми обычно наблюдалось в августе и сентябре.
Гидрологический блок модели: сегментация водоема, процессы водного обмена, седиментация, перенос веществ
Как было отмечено в первой главе, для описания пространственных не-однородностей можно использовать два подхода: непрерывный и сегментный. Мы будем использовать сегментное описание. С одной стороны, у нас опять-таки недостаточно информации для работы с непрерывной моделью.. С другой стороны, водоем допускает довольно четкую сегментацию;
Легко видеть, что концентрации элементов, в основном, отличаются в трех регионах водохранилища: в верховьях, где еще более или менее сохраняется речной режим; в приплотинном участке и середине водоема; в заливах, где почти нет течения.
Жизнь на Нурекском водохранилище, в основном, существует до глубины 15 метров, где летом проходит термоклин. Для описания наиболее существенных пространственных неоднородностей; с: учетом экологической зональности и стратификации водоема, нам представляется достаточным рассмотреть 4 сегмента, для аждого из которых будет строиться своя точечная модель. В качестве сегментов выделяются: 1. Мелководная зона (верховье). Этоті участок водоема расположен между верхней границей среднего участка (до глубины 15 м) и самим подпором по узкой зигзагообразной полосе старого русла реки. Из-за высокого со держания взвешенных веществ характерной особенностью этой зоны является низкая прозрачность воды в течение всего года; 2. Основная зона (эпилимнион). В этот сегмент входят средний и при-плотинный участки водохранилища до глубины 15 м. Средний участок занимает около 84%, а приплотинный участок примерно 6% площади водоема. Это зона - широкая часть водохранилища, отличается высокой прозрачностью и частными волнениями, обеспечивающими ее относительную однородность. Количество взвешенных веществ постепенно уменьшается по направлению от верховья к плотине; 3. Глубоководная зона (гиполимнион). Сюда входят водные массы лежащие на глубине более 15 м, отличающиеся низкими температурами и сравнительно низкими концентрациями биотических компонентов; 4. Зона мелководных заливов:
В результате такого разбиения; все водохранилище представляются совокупностью сегментов, при этом предполагается, что концентрация интересующих нас компонентов системы одинакова в пределах одного сегмента.
В качестве фазовых, переменных первого и четвертого сегментов взяты концентрации - фитопланктона, зоопланктона, бентоса, детрита, рыбы, суммарного азота и суммарного фосфора, т.е. рассматривается система уравнений, экологического блока. Во втором сегменте исключен бентос (уравнение 2.8). В третьем, сегменте в круговороте участвуют только концентрации неживых элементов, т.е. детрита, суммарного азота и суммарного фосфора (уравнения (2.10), (2.11), (2.12)). Переход от одного сегмента к другому приводит к скачкообразному изменению концентраций.
Гидрологический блок объединяет все точечные, модели; сегментов, определяя водный баланс сегментов- и изменения концентраций веществ, происходящих за счет водообмена. На рис. 8 показана схема взаимодействия: между различными сегментами водохранилища и рекой. Водообмен определяется течениями, складывающимися в водоеме и диффузионными потоками.
Река Вахш обеспечивает 99.5% всего притока в водоем. Расход реки в этой части водоема в среднем составляет 647 м3/сек (Светицкий, Малков, 1962). Все другие приходные компоненты, такие как боковые притоки, подземные протоки и т.д., не значительны и поэтому в модели мы ими пренебрегаем. Осадки, выпадающие на водную поверхность, и расход на испарение приблизительно компенсируют друг друга и нет необходимости включать их в модель.
Из-за несоответствия притока и оттока объем водохранилища, и следовательно его сегментов, постоянно меняется. Поэтому задачей гидрологического блока в первую очередь является определение объемов сегментов (У\, каждого момента времени на основании данных о притоке WP и оттоке через плотину WR. При этом принимается следующая аппроксимация геометрии водохранилища (рис. 9): весь водоем представляется в виде треугольной пирамиды, к которой сбоку приставлена другая пирамида, соответствующая мелководным заливам. Геометрия сегментов задается следующими величинами: у - уклон дна водохранилища, (5 - угол раствора плотины, у] — уклон дна заливов, / - угол раствора дна заливов, а - уровень дна заливов над нулевой, отметкой водоема, d - глубина термоклина, определяющая глубину поверхностных сегментов (15 м).
Кроме того, предполагается, что нам известны: начальная глубина возле плотины {h0, в нашем случае берется уровень на первое января 1978 и 1981 гг.); ежесуточная динамика расходов воды из реки и через плотину [WP(ti) и WR(ti), 1=1,2,3, ...,360]. В наших предположениях о форме водохранилища ясно, что вне зависимости от уровня воды объем первого сегмента постоянен. Объем заливов сперва также остается неизменным, но при дальнейшем падение уровня, вообще говоря, может сократиться до нуля. Заметим, что заиливание главным образом сказывается на объеме третьего сегмента.
Таким образом, объемы водохранилища/ и его сегментов будут вычисляться по следующим формулам: где Vo - начальный объем водохранилища. С другой стороны, из геометрических соображений, при глубине возле плотины h(tj)
Краткое описание экосистемы Кайраккумского водохранилища
По сравнению с Нурекским водохранилищем значительно возрастает роль ветрового перемешивания. Среднемесячные скорости ветра в осенне-зимний; период достигают 6-7 м/сек,, весной; и летом - 3-4 м/сек. Над водоемом нередко бывают штормовые ветры силой 15-20 м/сек, штилевых дней почти не наблюдается. В сочетании с относительно небольшой; глубиной, это приводит к гомотермии водоема, термоклина не образуется (Богданов, 1975; KB, 1982). Скорости течения по всему водоему распределены; неравномерно. В зоне выклинивания подпора она достигает 68-89 см/сек, к плотине уменьшается до 10-30 см/сек, (KB, 1982). Годовое колебание температуры воды полностью соответствует изменениям температуры воздуха. Минимальная температура — 0С наблюдается зимой, иногда в это время года появляется шуга. Максимальное значение температура1 достигает в июле {25-21С). Понижение начинается в начале сентября (KB, 1982). Насыщение воды кислородом; достигает нормы (100%), а иногда отмечается и перенасыщение до 126%., Его содержание колеблется в-пределах 6.3-10:5 мг О2/Л. Вертикальное распределение кислорода в основном равномерное, чему способствует постоянное ветровое перемешивание воды (KB; 1982). По данным многим исследователей (Патина, 1968; Аверьянова, 1968; Богданов, 1975) свободная двуокись углерода либо присутствует в весьма незначительных количествах (0.4-1.56 мг CO2/J1) либо вовсе не регистрируется. В пользу низкого содержания СО2 говорит и повышенный водородный показатель: рН колеблется от 8.0 до 8.5. Низкие концентрации СО2 свидетельствуют о возможном лимитировании продуцентов углеродом, тем более, что по данным Патиной (1968) и другие биогенные элементы могут содержаться в водохранилище в довольно высоких концентрациях (мг/л): Все эти данные говорят о многофакторном лимитировании продукционного процесса в водоеме.
В водохранилище обитают 222 различные видов, разновидностей и форм фитопланктона (KB,, 1982). Естественно, что описать их все в модели невозможно. Ведущую роль в фитопланктоне играют диатомовые (40%), зеленые (36%) и сине-зеленые (16%). В течение всех лет исследования (1961-1972 гг.) в водоеме количественное соотношение групп фитопланктона оставалось постоянным. Преобладающими по численности были.зеленые и сине-зеленые, а по биомассе - диатомовые. Более или менее-постоянный состав сообщества фитопланктонных организмов позволяет попытаться приближенно описать их общую динамику одной: агрегированной переменной.
Большие площади затапливаемых территорий и мелководий зарастают высшей водной растительностью, которая играет важную роль в общей динамике экосистемы. Макрофиты представлены в основном тростником и рдестом. Соотношение этих видов и их развитие зависят от уровня воды, в водохранилище, в среднем макрофитами покрыто более 80 км2 площади с общей биомассой в 200-250 тыс.тонн (Ахроров, 1970). Зоопланктон и бентос имеют существенное значение как основные компоненты кормовой базы для рыб, населяющих водохранилище. Зоопланктон представлен 78 видами в основном это веслоногие и ветвистоусые рачки. Биомасса зоопланктона составляет 0.16-0.6 г/м3 (KB, 1982). Среди 143 видов бёнтосных организмов і доминируют олигохеты и личинки хирономид,. являющиеся излюбленным кормом многих рыб. Средняя биомасса бентоса составляет 1.9-2.6 г/м2 (KB, 1982). В конце 60-х 20-го столетия ихтиофауна водохранилища насчитывала 28 видов. Большинство из них имело промысловое значение, ив первую очередь к ним отнеслись щука, жерех, усач, лещ,.чехонь, сазан и;другие.
Уловы были достаточно высокими, так в 1967г они составили 360.7 тонн (KB; 1982). Однако, эвтрофикация, постоянно возрастающая минерализация воды в результате растущей биогенной нагрузки и смывов солей и удобрений с окрестных полей; ставят под угрозу рыбную популяцию водохранилища. Это делает особо актуальной задачу прогнозирования качества воды и оценку возможных способов замедления эвтрофикации. Математическая модель экосистемы равнинного мелководного эвтрофного; Кайраккумского водохранилища, в отличие от уже рассмотренной модели экосистемы горного глубоководного олиготрофного Нурекского водохранилища, требует в первую очередь более детального описания гидрологии водоема. Важную роль начинают играть ветровые течения и колебания уровня водохранилища. Поэтому в то время; как общая структура модели остается прежней,, гидрологический; блок заменяется на квази-гидродинамический, в котором помимо водообмена решается задача определения полей ветровых течений в водоеме с переменой границей. Таким образом, имитационная модель экосистемы равнинного мелководного эвтрофного водохранилища состоит из: Все три блока работают независимо, со своим временным шагом.
Схематически структура модели показана на рис. 20. Входными функциями; для экологического блока являются климатические факторы: Т -температура воды, 10 - интенсивность солнечной радиации; для гидродинамического блока: QP - приток из реки Сырдарья, QR - отток через плотину, w - сила и а . - направление ветра; для блока перемешивания: PNC - биогенная нагрузка, поступающая из реки и с берегов, ALO - поступление аллохтонных органических веществ и две управляющие функции, характеризующие фактически изъятие биомассы из водохранилища и описывающие режимы вылова рыбы (UL) и выкашивания макрофитов, (UM). Далее необходимо решить вопрос об описании, геометрической,, пространственной структуры экосистемы. Естественно, что в водоеме столь большой площади, как Кайраккумское водохранилище (520 км),. возникают пространственные неоднородности, без учета которых трудно надеяться на адекватность имитационной модели. Несмотря на. большое количество экспериментальных данных по сравнению; с математической моделью экосистемы Нурекского водохранилища, их все же далеко не достаточно для непрерывного пространственного описания водоема: Поэтому вновь мы будем использовать сегментное описание. При выборе сегментов мы руководствуемся следующими соображениями
Гидрологическая и физико-химическая характеристика опытного рыбоводного пруда и водоподающего канала
Рыбоводные пруды Вахшского участка Ходжамастонского рыбхоза построены в 1975 году на бывшем русле реки Вахш на юге Таджикистана в Ходжамастонском районе.
Климат на юге Таджикистана резко континентальный с жарким летом и холодной зимой. Весна и осень бывают дождливыми. Самые жаркие ме сяцы в году июль и август, когда температура воздуха достигает 34-40 С и:. более. Для района расположения прудов характерно: постоянно дующие, слабые, преимущественно южные ветры, иногда переходящие в пыльные бури со скоростью ветра 25-30 м/сек, обилие солнечных дней, продолжительный вегетационный период, высокая температура воды в прудах.
Снабжение водой рыбоводных прудов осуществляется: через водо-подающий канал,, берущий, начало из реки Вахш. Высокая прозрачность поступающей в пруд воды, обусловлена аккумуляцией основного количества взвешенных веществ реки Вахш Нурекским водохранилищем, которое расположено выше по течению реки. Однако в период дождей (май) бурные потоки реки Вахш несут большое количество терригенного материала, который через водоподающий канал поступает в пруд и осаждается в нем, способствует дальнейшие кальматации пруда и образованию илистых донных отложений.
На опытом 8-ми гектаровом нагульном рыбоводном пруду исследования проводились в 1985-1987гг. Средняя глубина опытного прудаза вегетационный период составляла їм. В : течение всего периода выращивания рыбы она колебалась, что в значительной мере обусловлено фильтрацией через ложе и дамбы пруда. Уровень воды в пруду до нормальной подпорной отметки не доводился из-за фильтрации, через. верхнюю часть. дамбы, пруда. Повышенная фильтрация воды способствовала усиленному водообмену в результате:чего в пруд приходилось постоянно подавать.воду из подводящего канала. При прекращении водоподачи за сутки; уровень воды в пруду снижался на 10см..
Прозрачность воды в пруду зависела от таких факторов как мутность поступающей воды, интенсивности развития планктонных организмов и от взмучивания рыбой донных отложений {пруда. Прозрачность воды изменяется и в течение суток, что связано с вертикальной миграцией гидробио-нтов в пруду. Определенное влияние на! прозрачность воды оказывает интенсивность фотосинтеза фитопланктона,. увеличение биомассы которого
наблюдается обычно к вечеру. В это время происходит снижение прозрачности по сравнению с утренними показателями.
По акватории пруда величина прозрачности воды распределена неравномерно, что связано с гидрологическими, биологическими и другими факторами среды.
В среднем прозрачность воды на ст. 1 составила 38 см, и соответственно на ст. 2 и 3 - 33 и 35 см. В целом средняя прозрачность воды по пруду за вегетационный период составило 35 см, т.е. большой разницы в сравнении с показателями по станциям не отмечалась.
В канале наибольшие величины прозрачности воды отмечаются; весной (май - 150 см) и осенью (сентябрь - 70 см); Однако в период обильных дождей в канале прозрачность воды иногда? снижается до 7 см. В пруду прослеживается несколько иная закономерность сезонного изменения прозрачности воды, связанная с протекающими биологическими процессами, от которых в основном и зависит прозрачность воды.
Цвет воды в рыбоводном пруду является важнейшим показателем по которому можно судить об изменениях в течение вегетационного периода о видовом составе водорослей. Весной, когда в планктоне преобладают протококковые . водоросли вода окрашена в различные тона зеленого цвета, в зависимости от количества микроводорослей в воде. Летом;. в период. преобладания в планктоне сине-зеленых водорослей соответственно изменяется цвет воды. В августе, когда в пруду создаются благоприятные условия для развития жгутиковых, вода окрашивается в черно-зеленый цвет, причем интенсивность окраски по акватории пруда зависит от плотности популяции вида.
Температура воды является одним из важнейших факторов; во многом определяющая интенсивность протекания биологических процессов, наиболее эффективного использования минеральных удобрений, ив конечном счете с ней связана и рыбопродуктивность пруда. В і водоподводящем; канале в период выращивания рыбы температура была достаточно стабильной и находилась в переделах от 17 до 20С. В среднем за весь вегетационный период температура воды в канале по сравнению с прудом оказалась холодней на 10 С. Средняя температура воды в ; канале за период исследований составила 19 С, а в пруду - 29 С.
Разница температуры воды по различным участкам акватории пруда составила 1-2 С. Максимальная температура воды отмечалась 30 июня 1986г, на- всех трех станциях она составила 32 С. В поверхностном слое воды суточное колебание температуры составляло 1 -4 С, но чаще всего 1 или 2 С. В сезонном аспекте наблюдается закономерность повышения температуры воды от весны (средняя - 25 С) к лету (30 С) и понижения к осени (26 С).
Кислородный режим рыбоводного пруда является основным показателем результата жизнедеятельности; населяющих водоем гидробионтов. Образование кислорода.идет главным образом-в процессе фотосинтеза.,Не менее важным источником кислорода является вода, поступающая из канала в пруд. В силу того, что ее температура ниже по сравнению с температурой воды в пруд, она попадает в придонные слои, способствуя перемешиванию водных масс и создавая благоприятные условия для,развивающихся организмов в нижних слоях водной толщи пруда.
