Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние экосистемы каспийского моря и современные тенденции ее изменения 8
1.1. Морфометрические показатели Каспийского моря и его акватории 8
1.2. Физико-географические факторы .9
1.3. Гидрометеорологические условия 14
1.4. Биогидрохимические условия 22
1.5. Антропогенная нагрузка на экосистему Каспийского моря 51
1.6 Последствия хозяйственной деятельности для морской среды 57
Выводы 62
Глава 2. Математическое моделирование состояния морских экосистем 65
2.1. Классификация математических моделей морских экосистем.. 67
2.2. Задачи математического моделирования в морской экологии 68
2.3.Описание биогидрохимических процессов в математических моделях 73
2.4. Модели биогидрохимических процессов в морских экосистемах 75
Выводы 80
Глава 3. Гидроэкологическая модель трансформации соединений биогенных элементов 83
3.1. Схемы взаимодействия соединений фосфора, азота и кремния в морской среде и входные параметры модели 83
3.2. Формализация биогидрохимических процессов в модели 88
3.3. Входные данные для выполнения расчетов на модели 91
Глава 4. Биогвдрохимическии портрет северной части каспийского моря 99
4.1. Внутригодовая динамика концентраций биогенных веществ в акваториях северного Каспия 100
4.2. Вынос биогенных веществ в северную часть Каспия с речным стоком 105
4.3. Внутриводоемный перенос и баланс биогенных веществ 111
4.4. Внутренние потоки соединений биогенных элементов 121
4.5. Баланс продукционных и деструкционных процессов 127
Выводы 134
Глава 5. Биотрансформация биогенных веществ и Анализ условий евтрофирования вод Поверхностного слоя каспийского моря 136
5.1. Краткая характеристика условий евтрофирования морской среды 138
5.2. Анализ результатов моделирования динамики концентраций биогенных веществ 139
5.3. Анализ условий евтрофирования отдельных акваторий Каспийского моря 144
5.4. Оценки изменчивости вычисленных значений биопродукции гидробионтов и внутренних потоков биогенных веществ в акваториях Каспийского моря 153
5.5. Оценка сбалансированности продукционно-деструкционных процессов 157
Выводы 162
Заключение 165
Список литературы 171
- Гидрометеорологические условия
- Задачи математического моделирования в морской экологии
- Формализация биогидрохимических процессов в модели
- Внутриводоемный перенос и баланс биогенных веществ
Введение к работе
Каспийское море является уникальным водным объектом, на долю которого приходится 80% общего вылова рыбы во внутренних водоемах России и около 90% мировых запасов осетровых. В этой связи исследование закономерностей формирования условий среды и основ его биологической продуктивности имеет как научный, так и практический интерес.
В то же время замкнутое, внутриматериковое положение Каспия определяет значительную зависимость состояния его экосистемы от климатических (сток рек, осадки, испарение, тепловой режим) и антропогенных факторов (изменение количества и качества речного стока, хозяйственная деятельность на акватории водоема). Следствием таких обстоятельств оказывается высокий динамизм гидролого-гидрохимического режима моря, его уровня, интенсивности продукционно-деструкционных процессов, загрязнения вод, донных осадков и гидробионтов, определяющих экологические условия в водоеме.
Полевые исследования состояния экосистемы Каспийского моря проводятся в течение
уже более пятидесяти лет. Тем не менее, многие процессы и механизмы, определяющие ее
трансформацию, к сожалению, до сих пор оказываются слабо изученными по причине их
сложности и недоступности прямым измерениям. В этой связи, для установления
закономерностей изменения состояния каспийской экосистемы, выявления приоритетных
внешних и внутримассовых процессов, определяющих ее продукционные возможности,
способность к самоочищению, особую актуальность приобретают методы математического
моделирования.
/ Цель работы: методами системного анализа и математического моделирования /
установить закономерности трансформации и круговорота соединений органогенных элементов (N, Р, Si) в экосистеме Каспийского моря, выделить приоритетные процессы, определяющие ее продукционный потенциал, оценить его величину и структуру.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
- обобщить информацию о состоянии экосистемы Каспийского моря и современных
тенденциях ее изменения;
систематизировать существующие математические модели морских экосистем и выбрать из них наиболее полно описывающую процессы трансформации биогенных веществ (БВ) в морской среде;
- убедиться в адекватности выбранной модели исследуемому объекту путем
сравнения расчетных концентраций БВ со среднемноголетними данными;
- в модельном эксперименте выявить биогидрохимические особенности
функционирования экосистемы Каспийского моря: 1 - рассчитать внутригодовую
динамику химических и биологических характеристик морской среды; 2 - оценить
внешние и внутренние потоки БВ и составить их баланс; 3 - оценить
интенсивность продукционно-деструкционных процессов и составить баланс
органических веществ (ОВ) для отдельных акваторий моря; 4 — оценить условия
евтрофирования поверхностных вод Каспийского моря на основе параллельного
анализа пространственной и временной изменчивости концентраций и
соотношений БВ, показателей продукции различных видов гидробионтов и
- данных о поступлении БВ из внешних источников.
Методы исследования. Систематизация экологической информации по
Каспийскому морю для оценки современного состояния и тенденций изменения его
экосистемы выполнены на основании принципов географо-экологического моделирования
морских водоемов, разработанных в Институте географии РАН [Фащук, 1997, Фащук и др..
1997].
Биогидрохимические условий функционирования экосистемы Каспийского моря исследовались на боксовой имитационной модели (усовершенствованная версия) трансформации БВ [Леонов, Сапожников, 1997]. Расчеты на модели выполнялись с шагом 0.1 сутки методом Рунге-Кутта-4 для календарного года (с 1 января до 31 декабря).
Информационная база исследования. Для решения поставленных задач было проанализировано около 100 монографий и статей о состоянии экосистемы Каспийского моря и тенденциях ее изменения, а также более 100 публикаций о существующих математических моделях трансформации морских экосистем.
Необходимые для расчетов величины среднемесячных значений расходов рек -притоков Каспийского моря, а также данные по температуре, освещенности и прозрачности вод брались из публикаций: [Катунин, 1976]; по атмосферным осадкам - [Архипова и др., 1970]. Значения фотопериода (отношение продолжительности светового дня к 24 ч.) вычислялись для каждого месяца с помощью модели DAYLE [Straskraba, Gnauck, 1985]. Расчет характеристик расходов воды на границах локальных участков моря, обеспечивающих перенос веществ внутри водоема, проводился с учетом рекомендаций А.Л.Бондаренко [Бондаренко, 1993]. Для настройки модели использовано внутригодовое распределение волжского стока, которое соответствует норме естественного годового стока Волги за 1881-1990 гг. (250 км3). Для остальных рек-притоков использовались осредненные за 1966-1981 гг. данные по внутригодовому стоку [Каспийское море. Проект «Моря...», 1996]. Концентрации биогенных веществ в атмосферной влаге оценивались по литературным
данным [Бруевич, 1941; Листенгартен, 1967; Скопинцев и др., 1971; Семенов и др., 1966]. Соотношения начальных концентраций биомасс гидробионтов в единицах С, Si, N и Р задавались с учетом имеющихся в литературе оценок [Биогеохимия океана, 1983; Виноградов, 1937].
Научная новизна результатов. В процессе решения поставленных задач впервые:
- получены количественные оценки внутригодовой совместной динамики :
растворенных минеральных компонентов N [аммонийного N (NH4), нитритного N (NO2),
нитратного N (NO3)], Si (DISi) и Р (DIP); растворенных органических компонентов С (DOC),
N (DON) и Р (DOP); взвешенных детритных компонентов Р (PD) и N (ND), а также
растворенного кислорода (Ог) в 10-и акваториях Каспийского моря.
получены количественные оценки внутренних потоков соединений N и Р , формирующиеся в экосистеме за счет процессов биотрансформации и учитывающие основные функции гидробионтов - потребление вещества, выделение продуктов обмена, отмирание биомассы;
оценены показатели биопродукции (для бактерий, диатомовых, зеленых и синезеленых водорослей, растительноядного и хищного зоопланктона), а также внутригодовая изменчивость значений биопродукции микроорганизмов;
- составлен баланс аллохтонных и автохтонных потоков органического вещества для
четырех акваторий Северного и Среднего Каспия, оценен относительный вклад в нем
составляющих, обеспечивающих поступление (первичная продукция, вынос с речным
стоком, атмосферными осадками, адвекция с соседних акваторий, разложение детрита) и
потери (продукция зоопланктона, потребление бактериями, седиментация, вынос в соседние
акватории) вещества.
Практическая значимость исследования. Результаты моделирования могут быть использованы для характеристики экологического состояния экосистемы Каспийского моря, прогноза качества вод, способности водной среды к самоочищению, прогнозов тенденций возможных изменений биологической продуктивности водоема. Рассчитанные показатели уровня эвтрофирования и продукционных возможностей экосистемы, установленные особенности и характер их изменчивости могут служить основой для рационализации и планирования хозяйственной и природоохранной деятельности в бассейне и на акватории Каспийского моря.
Апробация работы. Результаты исследования были представлены на: Всероссийской научной школе «Математические методы в экологии» (Петрозаводск, 2001); VIII съезде Гидробиологического обещства РАН (Калининград, 2001); Международной научно-практической' конференции «Прибрежное рыболовство - XXI век»
7 (Южно-Сахалинск, 2001), VI Международный конгресс по математическому моделированию (Н.Новгород, 2004).
Структура работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы (277 наименований из них 40 на иностранных языках). Объем исследования составил 189 страниц, включая 23 рисунка и 32 таблицы.
Гидрометеорологические условия
Гидрометеорологическая характеристика Каспийского моря связывается с егогеографическим положением и с особенностями атмосферной циркуляции, которыеI і определяют специфику динамики вод, условия образования ледового покрова в северной части моря, а также пространственно-временную изменчивость основных океанологических параметров (температура и соленость воды). Именно характеристике этих показателей уделено внимание в данном разделе.
Атмосферная циркуляция. Характер и интенсивность ветрового переноса в воздушной среде над поверхностью моря определяют условия формирования полей течений, зон волнения и интенсивного испарения, с также степень перераспределения вещества и энергии в водоеме. В целом атмосферная циркуляция служит важнейшим фактором равновесия морской экосистемы.
Ветровой режим над Каспийским морем определяется сменой циркуляционных эпох в Атлантико-Европейском секторе Северного полушария. В периоды, когда в этой зоне под влиянием Западносибирского антициклона преобладает восточный перенос воздушных масс, над морем отмечаются максимальные среднегодовые скорости ветра и увеличивается повторяемость ветров восточных румбов. Повторяемость юго-восточных ветров в среднем за год 35.9% (зимой 41.3%). Это наиболее устойчивый тип ветровых потоков над акваторией моря [Каспийское море. Проект «Моря».., 1995]..Когда в Северном полушарии преобладает западная форма макроциркуляцииатмосферы, над Каспием обычно отмечается малоградиентное поле давления и ветровойрежим формируется под влиянием Азорского антициклона. При этом отмечаетсянаименьшая средняя годовая скорость ветра ивозрастает повторяемость ветров западныхрумбов [Кошинский, 1864]. /Когда атмосферный макроперенос в Северном полушарии обусловлен скандинавскими антициклонами, над Каспием преобладают северные ветра и их среднегодовая скорость близка среднемноголетним, а повторяемость за год составляет 41% (летом 48.7%). При этом половина из них имеет северо-западное направление. Над Северным Каспием в течение года преобладают ветра восточных румбов (наибольшая их повторяемость весной и осенью). Летом и зимой возрастает доля западных и северо-западных ветров. Повторяемость штормовых ветров в западной части Северного Каспия в течение всего года (кроме лета) выше, чем в восточной (здесь штормовые восточные и юго-восточные ветра в летний период вообще не наблюдаются) [Каспийское море. Гидрология и гидрохимия., 1986].
Размах сезонных колебаний скорости ветра над акваторией Каспийского моря преобладает над амплитудой ее суточной и многолетней изменчивости (табл 1.2). Именно эта составляющая спектра колебаний скорости ветра оказывается наиболее значимой для изменения состояния морских биологических сообществ и уровня продуктивности водоема.
Динамика вод. Многолетняя и сезонная изменчивость полей течений Каспийского моря и, в частности, в его Северной части, определяется в основном изменчивостью ветрового режима над его акваторией. Весной и осенью, а также в климатические эпохи с преобладанием восточных и юго-восточных ветров в водоеме наблюдается перенос вод из восточной части Северного Каспия в западную и далее в Средний Каспий. При этом, среднекаспийские воды в качестве компенсационного дрейфового потока поступают в восточную часть моря.
Летом и в теплые зимы (без ледяного покрова в Северном Каспии), а также в климатические эпохи зональной циркуляции атмосферы (западные, северо-западные ветры) в поверхностном слое моря преобладает вынос вод с западной в восточную часть Северного Каспия, который компенсируется подтоком в придонном слое среднекаспийских вод на устьевое взморье Волги.
Среднегодовая скорость течений на поверхности в большинстве районов Каспийского моря составляет 14-18 см/с при межгодовой амплитуде в среднем 5 см/с, совпадающей с амплитудой сезонных пульсаций (табл. 1.3). Тем не менее, по данным мониторинговых исследований 1951-1999 гг., раз в 100 лет над акваторией Северного Каспия складываются ветровые ситуации при которых скорости дрейфовых течений могут достигать на поверхности 113 см/с, раз в 50 лет - 104 см/с, раз в 25 лет - 96 см/с, раз в 10 лет - 84 см/с и раз в 5 лет — 76 см/с. При сильных и штормовых ветрах течения в поверхностном слое Северного Каспия, за исключением прибрежных районов и отмелого взморья Волги, приобретают однонаправленный характер [Каспийское море. Проект "Моря"..., 1995].
Современные экспедиционные исследования на шельфах морей России показали [Сапожников, 1995; Грузевич и др., 1997; Мордасова и др., 2002; Комплексные исследования..., 2002], что характерной особенностью динамики вод в этих районах является периодическое развитие здесь синоптических вихревых образований, играющих важную роль в формировании полей океанографических показателей и загрязняющих веществ (Рис. 1.3).
Существование аналогичных динамических структур в прибрежной зоне Каспия моря предполагалось по данным инструментальных наблюдений за течениями на стационарных прибрежных постах еще в довоенные годы [Штокман, 1937]. Сегодня их наличие на шельфе Каспийского моря также подтверждают математические расчеты по гидродинамическим моделям [Саркисян и др., 1976]. Тем не менее конкретные параметры и режим "жизни" рингов Каспийского моря до настоящего времени не определены.
Ледовые условия. Северный Каспий замерзает ежегодно и поверхность моря покрывается неподвижным льдом. В умеренные зимы первый лед появляется в северо-восточной части шельфа в середине ноября, а к первой декаде декабря он занимает все мелководье до изобаты 3 м (рис. 1.4). В январе граница льда достигает изобаты 5 м и проходит от о.Чечень к о.Тюлений и далее к о.Кулалы и п-ову Тюб Караган. В мягкие зимы лед появляется на мелководье и в открытой части моря соответственно на три-четыре недели и полтора-два месяца позже, чем в умеренные зимы. В суровые зимы это происходит на три-четыре недели раньше - в середине и даже в первой декаде октября. Наибольшая ледовитость в суровые зимы наблюдается в первой декаде февраля. Толщина льда при этом может достигать 80-90 см. Число дней со льдом в суровые зимы колеблется в зависимости от района моря от 100 до 170 сут. [Каспийское море. Гидрология и гидрохимия..., 1986].
Задачи математического моделирования в морской экологии
Развитие и совершенствование методов океанологических исследований по всем направлениям морской науки (физика, химия, биология, геология), а также смежных естественных наук (гидробиология, биофизика, биохимия, биогео— и гидрохимия, и другие) определило тот факт, что в 1930-1960-х гг. был накоплен огромный фактический материал, отражавший различные аспекты функционирования морских экосистем. Естественно, что в этих обстоятельствах возникла необходимость систематизировать и обобщить полученные данные, формализовать имеющиеся представления в виде математических моделей с целью научиться прогнозировать изменения свойств природных вод по основным химическим и биологическим показателям.
На первых этапах такой систематизации в 1920-1930-х гг. исследовались интегральные показатели трансформации веществ в природных водах и состояние водоемов на основе моделей, воспроизводящих режим растворенного кислорода в зависимости от содержания легко разлагаемого органического вещества (ОБ), оцениваемого в единицах химического или биохимического потребления кислорода (ХПК и БПК, соответственно). Кроме того, уделялось внимание изучению трофических межпопуляционных взаимоотношений организмов (типа хищник-жертва).
Произошедшие в 1940-1960-х гт. изменения в характере водопотребления и объемах сбросов загрязненных сточных вод в природные водоемы, загрязнении отдельных водоемов и росте степени их трофности, поставили специалистов перед необходимостью разработки мероприятий по охране природных вод, контролю качества водных ресурсов и прогнозу перспектив изменчивости их состояния под влиянием хозяйственной деятельности. При этом оказалось, что при интенсивном антропогенном воздействии и сложном составе загрязняющих веществ (ЗВ) интегральные показатели качества морской воды оказываются малоинформативными для решения поставленных задач. Исследования отдельных форм существования материи недостаточно для понимания особенностей формирования и трансформации состава компонентов водной среды. Адекватное решение поставленных задач возможно только в рамках комплексного системного подхода, развиваемого на стыке отдельных естественных наук.
В комплексе химико-биологических процессов, происходящих в морской среде, особое внимание при моделировании уделяется механизмам трансформации и биогидрохимических циклов элементов (С, N, Р, S, Si), входящих в состав живого вещества. При этом на первых этапах моделирования внимание акцентировалось на оценках скоростей снижения концентраций химических веществ, утилизации и последовательных превращений субстратов сообществом организмов, а также на скорости и механизм трансформации химических веществ.
В результате решались важные практические задачи, связанные с:1. получением количественной информации об изменениях во времени и пространстве химических и биологических характеристик морской экосистемы в зависимости от интенсивности воздействия на нее факторов среды обитания (температура, освещенность, прозрачность, водный режим, биогенная нагрузка); 2. оценкой способности морских экосистем к самоочищению и разработкой рекомендаций для создания наиболее эффективных условий для этого процесса; 3. составлением баланса веществ для отдельных акваторий с учетом обменных потоков на границах раздела вода-атмосфера, вода-дно, поступления веществ с водами притоков и атмосферными осадками, а также его потери при выносе водными массами из водоема; 4. установлением роли естественных и антропогенных процессов в круговороте биогенных веществ в морских экосистемах и разработкой мероприятий по охране водных ресурсов, оценке запасов веществ в природных водах, потенциалов их качества, определения способов контроля загрязнения и механизмы очищения вод; 5. оценкой запаса биогенных элементов (веществ) в природных водах и их пространственно- временной изменчивости под влиянием процессов потребления элементов (и соединений элементов) планктонными организмами и регенерацией при деструкции органических веществ. 6. исследованием основ первичного продуцирования органических веществ в водоемах и их биологической продуктивности на высших трофических уровнях; 7. изучением поведения и распределения морских биоценозов, популяций, сообществ организмов в морской среде, воспроизведением особенности вертикальной неоднородности и горизонтальной мозаичности распределения гидробионтов [Винберг, Анисимов, 1966], установлением роли хищников в регуляции фотосинтетической активности фитопланктона [Винберг, Анисимов, 1969]; 8. изучением вертикальной структуры сообществ микроорганизмов (биомасс разных групп фито- и зоопланктона, а также детрита) в тропической зоне океана [Vinogradov, Menschutkin, Shushkina, 1972], в пелагиали Японского моря [Меншуткин, Виноградов, Шушкина, 1974], в пелагиали Перуанского апвеллинга [Флейшман, Крапивин, 1974]; 9. исследованием причин активизации (вспышки) развития биологических сообществ [Петровский, Виноградов, Морозова, 1998], особенностей их развития при инвазии новых для экосистем видов организмов (нововселенцев) [Практическая экология..., 1990], а также цветения определенных групп водорослей. При изучении комплекса гидродинамических процессов, развивающихся в морской среде, основное внимание при математическом моделировании состояния морских экосистем уделяется задачам горизонтального и вертикального переноса загрязняющих веществ, установлению условий формирования и распада скоплений морских организмов (фито- и зоопланктон, пелагические и донные промысловые объекты), перераспределения жизни по вертикали [Меншуткин, Финенко, 1975].
В настоящее время актуальными задачами математического моделирования биогидрохимических процессов в морских экосистемах являются: изучение скоростей химико-биологических процессов, круговорота веществ в природных водах, условий формирования биологической продуктивности водоемов, оценка балансов соединений биогенных элементов в водной среде, а также комплексное изучение процессов химического .
Формализация биогидрохимических процессов в модели
Использованная в работе модель содержит 226 уравнений [Леонов, 1986; 1989; Леонов и др., 1991; 1989; 1994]. Формулирование отдельных терминов модели для описания процессов потребления веществ микроорганизмами, выделения ими продуктов обмена и отмирания гидробионтов выполнено с учетом условий полисубстратной среды. Уравнения модели подразделяются на несколько групп:1. Общая форма уравнения, описывающего изменение концентраций компонентов C(ijk) (в мг Элемента/л) в модели: dC(ijk)/dt = R(ijk) + LOAD(ijk) + TR(ijk) (3.1) где і - счетчик для числа выделенных акваторий; j - счетчик модели для рассмотрения выделенных слоев (j=l); к - счетчик для рассчитываемых компонентов модели; R(ijk), LOAD(ijk), TR(ijk) - скорости изменения концентраций веществ соответственно за счет взаимодействий химических и биологических компонентов, поступления веществ из внешних источников и пространственного (горизонтального и вертикального) переноса (все имеют размерность мг Элемента/(л х сут)). Имеющийся пул биогенных веществ (С, N, Р, Si) для организмов рассматриваемого в модели сообщества: гетеротрофные бактерии; диатомовых, зеленые, синезеленые водоросли; растительноядный и хищный зоопланктон, представлен 16-ю уравнениями. 2.
Суммарная скорость изменения биомассы конкретного вида микроорганизмов (бактерий, фито-, зоопланктона) при взаимодействии химических и биологических компонентов, R(ijk), задается уравнением: R(ijk) = (UP(ijk) - L(ijk) - S(ijk)) BB(ijk) - G(n) Zi(ijk) (3.2) где UP(ijk), L(ijk), S(ijk) - удельные скорости потребления веществ, выделения продуктов обмена и отмирания рассматриваемого биологического объекта BB(ijk), G(n) - удельная скорость выедания рассматриваемого биологического объекта зоопланктоном Zj(ijk). 3. Форма уравнения, описывающего удельную скорость потребления биогенных веществ гетеротрофными бактериями (UPB): UPB=(K(l)xRTB)/(l+ml) (3.3) где ml = BC/plBC + BN/plBN + BP/plBP + BSi/plBSi; К(1) - максимальная скорость потребления веществ гетеротрофными бактериями (сут"1); RTB - функция для коррекции К(1) на температуру воды. Модель включает 10 уравнений для описания скоростей потребления отдельных субстратов гетеротрофными бактериями. 4. Удельные скорости потребления биогенных веществ фитопланктоном (UPFj) задаются в модели тремя уравнениями, аналогичными (2) с функциями для коррекции скорости на температуру и освещенность водной среды.
Модель содержит 29 уравнений для описания скоростей потребления биогенных веществ фитопланктоном. 5. Удельные скорости потребления субстратов зоопланктоном (UPZj) представлены в модели двумя уравнениями, аналогичными (2), также учитывающими поправки на температуру и освещенность водной среды. Скорости потребления биогенньк компонентов зоопланктоном представлены в модели 40 уравнениями. 6. Коэффициенты для коррекции констант скоростей потребления субстратов гидробионтами на температуру и освещенность воспроизводятся 11-ю уравнениями. 7. Удельные скорости метаболических выделений микроорганизмами (всего в модели 31 уравнение), и их выделительные активности. 8. Удельные скорости отмирания организмов (всего 15 уравнений). 9. Суммарные скорости изменения концентраций биогенных веществ в водной среде (всего 14 уравнений). Уравнения для описания биотрансформации соединений биогенных элементов сформулированы с учетом принимаемых во внимание концептуальных схем взаимодействия микроорганизмов и химических веществ (рис.3.1), а также 15-ти уравнений, воспроизводящих изменения биомасс микроорганизмов: - для растворенных органических фракций R(ijk) = L(ijk) BB(ijk) UP(ijk) BB(ijk) + K(k) D(ijk) (3.4) - для растворенных минеральных фракций R(ijk) = L(ijk) BB(ijk) UP(ijk) BB(ijk) (3.5) - для детрита R(ijk) = S(ijk) BB(ijk) - UP(ijk) BB(ijk) - K(k) D(ijk) KsedD(ijk) (3.6) где K(k) - константа разложения детрита D(ijk) до растворенного органического вещества (в единицах N, Р, Si); Kse(j - константа седиментации детрита. 10. Скорости изменения концентраций биогенных веществ в седиментахвоспроизводят в модели 9 уравнений, включающих поправки на температуру среды.
В последних двух группах уравнений принимаются во внимание стехиометрические коэффициенты; толщина слоя, для которого проводятся расчеты; регулировочные параметры для включения (или выключения) каналов трансформации вещества при выполнении расчетов. Коэффициентами модели являются: также константы скоростей процессов химического окисления NR» до NO2, N02 до NO3 (или в упрощенных схемах NH4 до NO3) и UR до NH4; седиментации ND, PD и SiD; разложения ND до DON, PD до DOP и SiD до DOSi; обмена взвешенными компонентами (ND, PD и SiD) между водой и дном при взмучивании седиментов. Все вышеуказанные коэффициенты корректируются значениями температуры воды и вычисляются по степенной зависимости:KO(i)=K(i)xh(ll)(T-200) (3.7) где h(l 1) температурный коэффициент, K(i) - величина коэффициента при температуре 20С. Коэффициенты этой функции оцениваются при отладочных расчетах на модели.1. Скорости поступления веществ из внешних источников (с атмосфернымиосадками и из рассредоточенных источников), LOAD(ijk), представлены в модели 14-юуравнениями, учитывающими концентрации соответствующих биогенных веществ ватмосферной влаге (мг Элемента/л); выпавшие атмосферные осадки (км3/мес); объемырассматриваемых акваторий, (км ); суммарные скорости поступлений биогенных веществ израссредоточенных источников, (мг Элемента/(лхсут); коэффициент для включения (иливыключения) процессов газообмена через поверхность вода-воздух (КАТМ = 1 или 0соответственно для верхнего или нижнего слоев); коэффициенты аэрации водной средыкислородом и азотом, которые скорректированы на условия по температуре соответственно;содержание кислорода и азота (мг/л) при насыщении в приводном слое атмосферы.Концентрация O2S рассчитывается по эмпирической зависимости от температуры [Wang L.K,
Внутриводоемный перенос и баланс биогенных веществ
Данные о поступлении биогенных веществ из учитываемых в модели основных внешних источников (речной сток, атмосферные осадки), а также за счет внутренних процессов (развития обменных процессов на границе вода-донные отложения и переноса биогенных веществ водными потоками из соседних акваторий) вместе с полученными при расчетах на модели сведениями о внутренних потоках трансформации биогенных веществ в водной среде может считаться наиболее важной и достаточно полной информацией для объяснения экологических особенностей поведения экосистемы, формирования ее биопотенциала, специфики изменчивости и круговорота в экосистеме биогенных веществ. В этом разделе будут оценены и сопоставлены данные моделирования по количеству соединений N и Р, поступающих в воды северной части Каспийского моря (в акватории 1-4) из указанных выше источников, которые формируют биогенную нагрузку акваторий северной части Каспийского моря. В табл. 4.3-4.6 представлены данные по приходу и расходу, а также сбалансированности составляющих баланса соединений N соответственно для акваторий 1-4 северной части моря. Подобные данные для соединений Р представлены в табл. 4.7. В приходной составляющей баланса биогенных веществ учитывается их поступление с водами притоков, атмосферной влагой, из донных отложений и с водными потоками из соседних акваторий. В расходной части учитываются потери на седиментацию взвешенных компонентов и вынос водным потоком в соседние акватории.составляет 3.646 - 4.134 мг W(n год) и 0.196 - 0.401 мг Р/(л год) (или соответственно 497.3 -581.5 тыс. т. N и 28.8 - 62.0 тыс. т. Р). Для акватории 1 наиболее значимым источником биогенной нагрузки являются волжские воды: на их долю приходится 59.4% поступления общего азота (Nt0t) и 60.8% общего фосфора (Ptot)- Состав выносимых волжскими водами в Каспийское море соединений N и Р оценен в предыдущем разделе. Для акваторий 2 и 3 наиболее значимым источником N служит водный поток из соседних акваторий (60-66% для Ntot, причем в основном в форме DON - 87.9-92.6%). Вторым по значимости источником N являются донные отложения: из них в водную среду акваторий 1-4 выделяется в форме ND 40.5-52.7% и в форме N03- 45.9 - 57.7%.Основное количество Р в акватории 2-3 поступает из донных отложений (50.1-60.2% Ptot). В целом из донных отложений Р выделяется в основном в форме PD (82.1-84.4%), а на долю DIP приходится 15.6-17.9%.В акваториях 2 и 4 на долю речного стока приходится соответственно 7.2% и 0.5% поступления Ntot и 8% и 0,7% Ptot- Соотношения компонентов N и Р в стоке Урала и Терека обсуждаются в предыдущем разделе отчета.
Роль атмосферных осадков в биогенной нагрузке акваторий 1-4 невелика: с атмосферной влагой в водную среду поступает 0.6-2.5% Ntot (в основном в форме DON -62.2%) и 0.3-1.3% Рил (в равной пропорции - по 33.3% DIP, PD и DOP).
На единицу объема воды наибольшее количество биогенных веществ поступает в водную среду акватории 4 (16.651 мг N/(n год) и 0.745 мг Р/(л год) в основном за счет привноса биогенных веществ водным потоком из соседних акваторий (92.2% Ntot и 85.5% Ptot). Основное количество N при этом поступает в воды акватории 4 в форме DON (88.5%), а Р - в форме биомассы гидробионтов (47.4%) и DOP (35.4%).
Соотношение Ntot:Ptot в биогенной нагрузке акваторий 1-4 составляет соответственно 9.4:1; 14.8:1; 19:1 и 22.4:1 (среднее 16.4:1). Различия в соотношении биогенных компонентов, поступающих в воды акваторий северной части Каспийского моря, могут определять пространственную неоднородность условий развития гидробионтов (как количественную, так и видовую) и являться одной из важнейших причин дисбаланса биогенных веществ для рассматриваемых участков северной части Каспийского моря.
Соотношение DON:DOP для поступающих в акватории 1-4 биогенных компонентов оценено равным соответственно 7.2:1; 47.1:1; 65.8:1 и 59.5:1 (среднее 44.9:1). Соотношение NM„H:DIP в биогенной нагрузке для этих же акваторий по результатам моделирования составляет 26.3:1; 23:1; 26.2:1 и 11.4:1 (среднее 21.7:1). Соотношение компонентов ND:PD для акваторий 1-4 оценено равным 6.5:1; 5.7:1; 3.6:1 и 5.2:1 (среднее 5.3:1), а Иомасса:Рбиомасса составляет 5.1:1; 2.9:1: 3.0:1 и 3.8:1 (среднее 3.7:1). Компоненты N взв И гВзв СООТНОСЯТСЯ Вбиогенной нагрузке акваторий 1-4 в следующих пропорциях: 6.3:1; 5:1; 4.8:1 и 5.4:1 (среднее 5.4:1).
Таким образом, оцененные для акваторий 1-4 соотношения важнейших биогенных веществ показывают, что их колебания в водах северной части Каспийского моря связываются с изменчивостью в нагрузке преимущественно органических компонентов. Для акватории 1, где велика роль волжского стока, соотношения органических фракций N и Р понижено, а для акваторий 2-4 оно выше и связано преимущественно с эффектом переноса органических компонентов водным потоком из соседних акваторий.
Потери биогенных веществ из водной среды определяются процессами седиментации взвешенных компонентов и выносом растворенных и взвешенных веществ водным потоком в соседние акватории. В водах акваторий 1-4 седиментация ND составляет 0.526-0.872 мг W(n год) (или 60.1-139.1 тыс. т. N). Роль этого процесса в общих потерях N-содержащих компонентов оценивается для акваторий 1-4 в 3-22.8%. На единицу объема вод наиболее значим этот процесс в балансе N в водах акватории 1, наименьшая его значимость обнаруживается для вод акватории 4.
Запас соединений N в водах северной части Каспийского моря регулируется преимущественно процессами их выноса водным потоком в соседние акватории. Так водным потоком выносится 4.000; 3.000; 2.091 и 16.851 мг Ы/(л год)(или 638; 360.9; 307.4 и 1899.9 тыс. т. N) из акваторий 1-4 соответственно. Так как в концентрациях форм N в водах 1-4 доминирует DON, то эта фракция является основной формой выносимых соединений N водным потоком в. соседние акватории (86.9-92.6%), на долю других фракций приходится от 7.4 до 13.1%.Доля процесса выноса соединений N в расходной части их баланса составляет 82.1%; 79.8%; 77.2% и 97% соответственно в указанных акваториях северной части Каспийского моря.
