Р Я Миньковская, Ю П Ильин - Вынос растворенных биогенных веществ в черное море со стоком килийского рукава р дунай - страница 1

Страницы:
1  2 

УДК 556.077: 556.54

Р. Я. Миньковская, Ю. П. Ильин

Морское отделение Украинского научно-исследовательского гидрометеорологического института, г.Севастополь

ВЫНОС РАСТВОРЕННЫХ БИОГЕННЫХ ВЕЩЕСТВ В ЧЕРНОЕ МОРЕ СО СТОКОМ КИЛИЙСКОГО РУКАВА Р.ДУНАЙ

На основе анализа данных многолетних наблюдений (с 1976 по 2003 гг.) обос­нован способ расчёта выноса биогенных веществ Килийским рукавом Дуная и вы­полнено уточнение его значений за многолетний период. Для расчёта расхода био­генных веществ в различные сезоны года получены статистические зависимости, позволяющие по данным наблюдений в вершине Килийской дельты (Вилково) рас­считать поступление биогенных веществ в море по Килийскому рукаву Дуная.

В последние годы развернуты международные исследования в рамках Черноморской экологической программы, в которых приоритетную роль играет изучение процесса эвтрофирования моря и нахождение его причин. Для детального исследования поступления биогенных веществ (БВ) в море из устьевых областей рек с ноября 2003 по октябрь 2004 гг. выполнены учащенные синхронные определения и измерения составляющих выноса БВ крупными реками в пунктах отбора проб и гидрометрических створах, рас­положенных на границах (или вблизи) раздела река - устьевое взморье или лиман - море [1]. В связи с этим, возникли некоторые методические про­блемы, обусловленные необходимостью согласования требуемой ежене­дельной дискретности и места отбора проб с ограниченными финансовыми возможностями и сопоставления полученных результатов с предшествую­щими многолетними данными.

Решение указанных проблем представляется особенно важным для Ки-лийского рукава р.Дунай, т.к. он является наиболее многоводным, главным рукавом дельты, по нему поступает 52 - 73 % стока Дуная, что определяет его существенное влияние на устьевое взморье и прилегающую часть моря. Килийский рукав ниже Вилково, в 20 км от взморья, образует внешнюю (морскую) Килийскую дельту со сложной системой многочисленных раз­ветвленных рукавов. Проведение учащенных синхронных измерений в устьях всех рукавов с целью определения суммарного стока БВ из дельты в море практически невозможно при существующих ограничениях в финан­совых и технических ресурсах.

Таким образом, целью данной работы было уточнение оценок выноса БВ со стоком Килийского рукава. При этом основное внимание уделялось обоснованию корректности оценки стока БВ в море по данным многолетних наблюдений в вершине Килийской дельты (Вилково) и более короткоряд-ным наблюдениям в устьях дельтовых водотоков.

В настоящее время нет однозначного мнения о том, как правильно рас­считывать вынос веществ в море речным стоком. Например, в руководстве [2] за расчётный створ рекомендуется принимать замыкающий створ, нахо-

© Р. Я. Миньковская, Ю. П. Ильин, 2005дящийся выше возможного влияния моря. Если следовать данным рекомен­дациям, замыкающим (расчётным) створом должен быть створ выше г.Рени, расположенный ниже впадения р.Прут на расстоянии 170 км от моря. Есте­ственно, что на участке от этого створа до моря могут быть любые измене­ния как водной, так и гидрохимической составляющей выноса веществ. По данным [3], в устьевой области Дуная концентрация растворенных в воде веществ по направлению к устьям рукавов значительно изменяется: «в усть­евой области теряется около 96 % их массы». В этой же работе рекоменду­ется рассчитывать вынос веществ в море по наблюдениям в устьях рукавов, поскольку, по мнению автора, расчёт выноса веществ без учёта водности рукавов приводит к ошибке расчёта до 130 %. Авторы [4] полагают, что в дельте аккумулируется от 39 до 78 % растворенных веществ. В [5] подробно рассматриваются методические аспекты проблемы. В частности, показано, что результаты расчета выноса вещества зависят от выбора пунктов наблю­дений, периодов осреднения данных и используемых математических про­цедур расчета выноса по концентрации вещества и стоку воды.

Вынос БВ со стоком р.Дунай рассматривался в различных работах (на­пример, [6 - 8]), зачастую без указаний створов, по которым принимался расход воды, определялась концентрация и рассчитывался сток БВ. Не вы­полнялся анализ изменений выноса БВ между расчетным створом и мор­ским краем дельты. В основном, рассчитывался вынос веществ из р.Дунай в море по среднему за месяц или год расходу воды в створе Рени, принимае­мом за вершину дельты Дуная, и концентрации веществ в Рени, Измаиле, Вилково или в устьях рукавов Килийской дельты, осредненной также за ме­сяц или год. При этом, если определение концентрации выполнялось раз в месяц (что довольно типично), её значение принималось за среднюю месяч­ную величину, что, очевидно, не соответствует действительности. Такой подход давал весьма приближенную оценку поступления химических ве­ществ в Черное море со стоком р.Дунай в целом. Он не учитывал изменение концентрации веществ во времени, на устьевом участке реки и в водотоках дельты, а также то, что при различном стоке воды в вершине дельты Дуная (Рени) в вершину Килийской дельты (Вилково) поступает различный объем воды из-за особенностей распределения стока в дельте р.Дунай.

Материалы и методика исследований. В работе использованы еже­годные данные Государственного Водного Кадастра, а также материалы экспедиционных наблюдений Дунайской ГМО с 1976 по 2003 гг. [9 - 12], всего около 11 тыс. определений концентрации растворенных форм биоген­ных веществ: азота, фосфора и кремния. Ряды наблюдений за концентраци­ей БВ неодинаковые: использованы данные о содержании азота с 1976 г., фосфора и кремния - с 1980 г. В этот период экспедиционные наблюдения (съёмки) производились, в основном, ежемесячно.

Рассматриваемый район Килийской дельты представлен на рис.1, где показаны станции и створы наблюдений.

На основе квазисинхронных гидролого-гидрохимических съёмок в Ки-лийской дельте Дуная (т.е. комплекса ограниченных по времени натурных наблюдений и отбора проб в вершине и рукавах) выполнен расчет поступ­ления БВ в район Вилково (вершину Килийской дельты) и в море. Проана­лизировано распределение стока БВ в дельте, а также установлены законо­мерности его изменения на участке Вилково - взморье. Объем данных ква­зисинхронных съемок составил, в среднем, по 90 определений азота и по 50 фосфора и кремния.

По материалам многолетних на­блюдений (в том числе и несинхрон­ных, в среднем, по 275 определений азота и 190 определений фосфора) рас­считан вынос биогенов в створе Вил-ково и в море с использованием уста­новленных для более коротких рядов закономерностей. Средняя за сутки концентрация в районе Вилково и в ру­кавах дельты определялась как средняя арифметическая в конкретных створах, по ней рассчитывались статистические характеристики для анализа изменчи­вости - диапазон изменения, среднее за многолетний период, медиана, средне-квадратическое отклонение (СКО), экс­тремумы, коэффициент вариации (КВ -Схема района исследований.    r   J ч

отношение СКО к среднему).

Расход воды в сроки определения концентрации принимался по данным ежегодников [12]: в Вилково - за сутки, в которые выполнялся отбор проб воды для определения концентрации веществ, в устьях рукавов - с учетом времени добегания, которое в среднем составляет одни сутки.

Так как составляющими выноса биогенных веществ в море является их концентрация и расход воды, рассмотрены закономерности изменения этих составляющих в Килийской дельте Дуная. Рассчитывалось поступление в море растворенных форм аммонийного (N-NH4), нитритного (N-NO2) и нит­ратного (N-NO3) азота, суммы указанных элементов (т.е. растворенный не­органический азот - DIN), фосфатного (Р-РО4) и общего (ТР) фосфора, а также силикатов (SiO3).

Изменчивость расхода воды. С 1976 по 2003 гг., во время выполнения квазисинхронных съёмок, расход воды в Вилково изменялся в пределах 1600 - 7800 м3/с (80 % многолетнего размаха), средний расход воды был близок к среднему многолетнему значению (3860 м3/с) и составил 4020 м3/с, среднее квадратическое отклонение расхода воды 1540 м3/с (КВ = 38 %). Значимых тенденций в изменениях расхода воды не обнаружено. Максимум расхода воды в Вилково в среднем отмечался в мае, минимум - в октябре.

Средний расход воды в период выполнения квазисинхронных съёмок (1976 - 2003 гг.) в рукавах Килийской дельты составил (в м3/с): Белгород­ский - 9, Прорва - 519, Потаповский - 279, Гнеушев - 171, Полуденный -149, Анкудинов - 206, Быстрый - 1020, Восточный - 153 и Старостамбуль­ский - 1460. Невязка стока в дельте (1,2 %) была в пределах точности рас­чета. Таким образом, наиболее водными являются рукава Старостамбуль­ский и Быстрый (Новостамбульский), наименее водным - Белгородский.

Расход воды для расчёта выноса в водотоках дельты принимался по данным [12], где приводится расход в истоках и среднем течении рукавов. При этом сделано допущение, что приводимый в изданиях ГВК расход во­ды примерно равен расходу воды в устьях рукавов, что допустимо при ос­реднении данных за многолетний период. Однако, при анализе внутригодо-вых изменений расхода воды в рукавах Килийской дельты, а особенно крат­косрочных, это допущение может приводить к существенным погрешно­стям, так как в системах Очаковского и Старостамбульского рукавов отме­чается аккумуляция воды в период повышенной водности и водоотдача в межень. Кроме того, в рукава Килийской дельты при нагонах (особенно в пе­риод низкой водности) проникают воды взморья, в устьях водотоков форми­руется обратный (направленный против течения реки) или разнонаправлен­ный поток воды (в придонном слое отмечается поступление морских вод). Довольно часто такие явления отмечаются в рук.Прорва. Дальность проник­новения морских вод в водотоки Килийской дельты обычно ограничивается 2 - 3 км, но иногда клин осолоненных вод поступал к вершине внешней дельты (Вилково). В других рукавах этот процесс ещё недостаточно изучен. В связи с этим, измерение составляющих расхода воды (скорости течения и площади живого сечения) и расчёт расхода воды, обуславливающего вынос веществ на взморье, в устьях рукавов требует постановки специальных экс­педиционных исследований и расчётов, которые пока не выполнялись.

Концентрация БВ в Килийской дельте и её изменчивость. Отбор проб воды для определения концентрации БВ в створах осуществлялся в Вилково (ст.6, 6а, 6б) и в устьях рукавов на ст.7 - 14 (рис.1). В основном пробы отбирались с поверхностного и придонного горизонтов на вертика­лях, расположенных на середине водотоков. Однако, в связи с хорошим пе­ремешиванием речных вод, можно считать, что концентрация БВ в сечении потока в районе Вилково распределена квазиоднородно. Концентрация, оп­ределяемая в устьях рукавов, из-за проникновения вод взморья в рукава, может характеризовать как содержание БВ в речной, так и в морской воде. В последнем случае возможное различие между концентрацией в Вилково и у морского края дельты (МКД) связано не с изменениями содержания ве­ществ при их транспорте в Килийской дельте, а с взаимодействием речных и морских вод на устьевом взморье.

При пониженном стоке реки причиной получения более низкой концен­трации веществ в устьях рукавов по сравнению с вершиной дельты может быть и то обстоятельство, что отбор проб воды в устьях рукавов произво­дился раньше, чем происходило продвижение водной массы от Вилково к морскому краю дельты (время добегания водной массы было меньше скоро­сти движения плавсредства).

Для выяснения степени трансформации биогенных веществ в Килийской дельте Дуная и анализа пространственной изменчивости их транспорта полу­чены эмпирические зависимости средней концентрации БВ в устьях рукавов (рассчитанной как среднее арифметическое значение по данным ст.7 - 14 закаждую съёмку) от соответствующих величин в створе Вилково. Уравнения регрессии построены для различных сезонов и для года в целом. Оценка тесноты связи выполнена по коэффициентам детерминации и корреляции.

Концентрация БВ в устьях рукавов тесно связана с их содержанием в вершине Килийской дельты, коэффициенты корреляции имели значения

0,93 - 0,98.

Результаты статистического анализа рядов концентрации БВ в Вилково представлены в табл.1. В таблицах и тексте использованы не молярные (в соответствии с системой СИ), а весовые единицы концентрации и выноса вещества, поскольку это более наглядно и удобно для сопоставления с дру­гими опубликованными оценками концентрации и выноса БВ в устьевой области р.Дунай. Заинтересованный читатель может легко получить цифры в молярных единицах с помощью соотношений: для соединений азота 1 мкмоль = 0,0714 мкгТЧ; для соединений фосфора 1 мкмоль = 0,0313 мкгР; для кремния 1 мкмоль = 0,0357 мю-Si. Далее обозначения вещества (N, P, Si) в весовых единицах опущены, поскольку в каждом случае ясно, к какому соединению относятся единицы концентрации.

Средняя концентрация аммонийного азота на станциях в вершине дель­ты и в рукавах за рассматриваемый период изменялась в широких пределах: от 0 до 4000 мкг/дм3 , причём средняя концентрация в различные периоды отличалась в 3 - 6 раз. Например, с 1976 по 1981 гг. она составляла в вер­шине дельты 724 мкг/дм3, а с 1982 по 2003 гг. 120 мкг/дм3. Из всех форм азота наименее устойчивым является N-NH4, поэтому его изменчивость во времени - наибольшая. В среднем за год концентрация аммонийного азота в вершине Килийской дельты (Вилково) и в устьях рукавов была почти оди­наковой и составила 360 мкг/дм3, СКО = 530 мкг/дм3. Полученное значение содержания аммонийного азота не превышало ПДК и было на 8 % меньше приведенного в [6] для периода с 1977 по 1996 гг. Однако, в различные сезо­ны года изменение концентрации от вершины Килийской дельты к МКД бы­ло различным. Весной и летом, при повышенном стоке воды и хорошем пе­ремешивании, концентрация аммония в Килийской дельте была распределена равномерно. В период осенней межени содержание аммонийного азота уменьшалось по направлению к морю, возможно, из-за его усвоения фито­планктоном в дельте, количество которого увеличивалось в том же направле­нии. Кроме того, уменьшению концентрации аммония в этот период года мог­ло способствовать его окисление до нитритных ионов в аэробных условиях.

Таблица 1. Статистические характеристики концентрации биогенных веществ в Вилково по материалам синхронных съёмок 1976 - 2003 гг.

характери-

ингредиент,

мкг/дм3

стика

N-NH4

N-NO2

N-NO3

DIN P-PO4

ТР

SiO3

среднее

360

26

586

1025 103

225

2680

диапазон

0 - 2000

0 - 189

0 - 3310

10 - 3254 14,5 - 418

66 - 970

0 - 8405

медиана

150

20

140

837 77

163

2475

СКО

530

26

742

789 81,6

184

1737

КВ, %

147

100

127

77 79

82

65

Зимой концентрация аммонийного азота увеличивалась по направлению к устьям рукавов, так как в дельте, вероятно, преобладали процессы аммони­фикации, т.е. разложения азотсодержащих органических веществ с выделе­нием аммиака. Максимальная концентрация отмечалась в марте, когда еще не началось массовое снеготаяние в горных районах, которое способствует раз­бавлению дунайских вод и уменьшению концентрации, минимальная - в сен­тябре. В рассматриваемый период наибольшая средняя концентрация аммо­нийного азота отмечалась в рукаве Потаповском, наименьшая - в Белгород­ском, что отличается от данных, приведенных в [8] для периода 1971-1984 гг.

Средняя концентрация нитритов за рассматриваемый период в районе Вилково и в устьях дельтовых рукавов была одинаковой и составляла 26 мкг/дм3 (на 30 % выше ПДК). Изменчивость концентрации нитритов во времени в вершине Килийской дельты и в устьях рукавов существенна, зна­чение СКО сопоставимо со средними величинами концентрации и даже превышает их. Наибольшая средняя за многолетний период концентрация (29,1 мкг/дм3 ) отмечалась в рук.Белгородском, наименьшая (23,5 мкг/дм3) -в рук. Старостамбульском. Максимальное значение средней по глубине кон­центрации нитритов составило 227 мкг/дм3 (11,4 ПДК) и наблюдалось в мае 1984 г. в рук.Восточном. Весной и летом содержание нитритов обычно уве­личивалось от вершины дельты к ее морскому краю, осенью и зимой уменьшалось в тех же пределах. Максимум отмечался в апреле - мае, ми­нимум - в сентябре - октябре.

Диапазон изменения концентрации нитратов - от 0 до 3310 мкг/дм3. Во времени изменчивость концентрации была существенной: с 1976 по 1988 гг. средняя многолетняя концентрация составляла в Вилково 85,3 мкг/дм3, а с 1989 по 2003 гг. 1352 мкг/дм3 (в 16 раз больше, чем в предыдущий период). Среднее содержание нитратов в Вилково (586 мкг/дм3) не превышало ПДК, СКО было равно 742 мкг/дм3. Средняя за год концентрация уменьшалась от Вилково к морскому краю дельты на 10 % (уменьшение концентрации от­мечалось весной и осенью, летом она несколько увеличивалась, а зимой не изменялась). Средняя концентрация в Вилково в рассматриваемый период была в 1,7 раз меньше приведенного в [6] значения. Наибольшее содержа­ние нитратов отмечалась в рук.Быстром, наименьшее - в рук.Белгородском. Концентрация достигала максимума в апреле и минимума - в октябре.

В связи с тем, что в районе Вилково не выполнялись определения обще­го азота, анализировалась только концентрация его неорганической фракции DIN (сумма концентраций аммонийного, нитритного и нитратного азота). В среднем за многолетний период концентрация DIN на участке Вилково -устья рукавов уменьшалась на 2 %. Наибольшее содержание DIN отмеча­лось в рук.Потаповском (956 мкг/дм3), наименьшее - в рук.Старостамбуль-ском (823 мкг/дм3). Средняя за 1976 - 2003 гг. концентрация DIN в устьях рукавов составляла 1001 мкг/дм3, СКО = 740 мкг/дм3, а в районе Вилково 1025 мкг/дм3, СКО = 789 мкг/дм3. Весной и летом, при повышенном стоке Дуная, концентрация DIN распределялась по пространству равномерно, од­нородная водная масса поступала транзитом в море, суммарная концентра­ция азотистых соединений не изменялась в дельте реки. Осенью содержание DIN на участке Вилково - устья рукавов в среднем уменьшалось на 13 %,зимой увеличивалось на 36 %. Очевидно, осенью преобладала деструкция и поглощение соединений азота гидробионтами; зимой, в результате их отми­рания и распада, обогащение водной массы минеральным азотом.

Так как ряды наблюдений за соединениями фосфора в дунайской воде меньше (1980 - 2003 гг.), чем за концентрацией азотистых соединений, обобщение данных выполнялось за весь период наблюдений без выделения сезонов. Концентрация фосфатов была распределена по пространству дель­ты почти однородно и равнялась 103 мкг/дм3 (меньше ПДК, невязка кон­центрации между вершиной дельты и устьями рукавов в среднем не превы­шала 2 %), СКО составляло 81,6 мкг/дм3.

Средняя концентрация общего фосфора в вершине Килийской дельты составляла 226 мкг/дм3, а в устьях рукавов 212 - 240 мкг/дм3, в среднем 225 мкг/дм3. Следовательно, содержание фосфора общего в Вилково и в ру­кавах в среднем было одинаковым. СКО концентрации TP в устьях рукавов дельты и в её вершине составляло 184 мкг/дм3.

Концентрация кремния распределялась по пространству достаточно од­нородно (различия не превышали 5 %) и составляла в среднем за период с 1980 по 2003 гг. 2680 мкг/дм3, СКО = 1737 мкг/дм3. Летом и осенью, в ос­новном, происходило уменьшение концентрации кремния в дельте, весной кремний транзитом поступал в море со стоком половодья, зимой в устьях дельтовых водотоков концентрация кремния была несколько больше, чем в Вилково.

Из табл.1 видно, что более всего изменялась во времени концентрация аммонийного азота и нитратов, наименьшей изменчивостью характеризова­лось содержание кремния в воде. В основном, максимальная концентрация БВ наблюдалась весной, минимальная - осенью, что согласуется с литера­турными данными.

Отклонения статистических характеристик, рассчитанных по материа­лам синхронных съемок, от аналогичных характеристик, определенных за весь период наблюдений, оказались различными для разных элементов. Со­держание нитритов, DIN и ТР было примерно в тех же пределах, нитратов и фосфатов содержалось в воде на 25 - 35 % меньше, а кремния и аммонийно­го азота - на 25 и 50 % больше соответственно. Средняя за многолетний пе­риод, рассчитанная по всем имеющимся наблюдениям, концентрация рас­сматриваемых ингредиентов (в мкг/дм3) составила в Вилково: аммонийного азота - 238, нитритов - 29.2, нитратов - 794, суммы азотистых соединений -1067, фосфатов - 160, фосфора общего - 265 и кремния - 2143.

Изменчивость концентрации БВ в 2 - 4 раза больше изменчивости рас­хода воды, поэтому, очевидно, вклад концентрации в изменчивость расхода (стока) биогенных веществ является преобладающим.

Таким образом, в рассматриваемом районе, в основном, отмечается пространственная однородность средней годовой концентрации БВ и суще­ственная изменчивость концентрации между съемками. Большая изменчи­вость во времени концентрации БВ в Килийской дельте может быть обу­словлена наличием непостоянных источников поступления БВ (смыв с тер­риторий, сбросы сточных вод и др.), неустойчивостью форм азота, а также несовершенством системы наблюдений.

Величины и изменчивость стока БВ. Средний вынос биогенных ве­ществ за каждую съёмку рассчитывался по общепринятым формулам для каждой съёмки:

WBm = QBm 'Свыд; (1) ^рук      (2рук 'Срук; (2)

W    = У W (3) где WBm, WpyK, WcyM - расход БВ (г/с) в Вилково, в отдельных рукавах Килий­ской дельты и суммарный вынос БВ рукавами соответственно; QBm, QpyK -расход воды (м3/с) в Вилково и в отдельных рукавах соответственно; СВил, Срук - концентрация БВ (мкг/дм3) в Вилково и в устьях рукавов соответственно.

Для каждой съёмки по (1) рассчитывалось поступление БВ в Вилково, при этом СВил определялась как средняя арифметическая в створе измере­ний, а QBm принимался по [12] на дату отбора пробы. Расход БВ в рукавах дельты определялся по (2), причём, в рукавах расход воды Qpw принимался также по [12] с учётом времени добегания, а концентрация Срук рассчитыва­лась как средняя арифметическая в створе каждого рукава. Суммированием значений выноса БВ каждым рукавом (У W^) определялось поступление БВ к морскому краю дельты за конкретные сутки. Эта величина приравни­валась к выносу БВ в море. Относительная ошибка расчёта расхода (выно­са) БВ, согласно [2], находится в пределах 12 - 33 %.

Страницы:
1  2 


Похожие статьи

Р Я Миньковская, Ю П Ильин - Вынос растворенных биогенных веществ в черное море со стоком килийского рукава р дунай