Ю С Тучковенко - Математическая модель качества водэкосистемы одесского региона северо-западной части черного моря - страница 1

Страницы:
1 

МІНІСТЕРСТВО ЕКОЛОГІЇ ТА ПРИРОДНИХ РЕСУРСІВ УКРАЇНИ

ДЕРЖАВНА ІНСПЕКЦІЯ ОХОРОНИ ЧОРНОГО МОРЯ МІНЕКОРЕСУРСІВ УКРАЇНИ

УКРАЇНСЬКИЙ НАУКОВИЙ ЦЕНТР ЕКОЛОГІЇ МОРЯ МІНЕКОРЕСУРСІВ УКРАЇНИ

ОДЕСЬКА ОБЛАСНА РАДА ДЕРЖАВНЕ УПРАВЛІННЯ ЕКОЛОГІЇ І ПРИРОДНИХ РЕСУРСІВ

В ОДЕСЬКІЙ ОБЛАСТІ

УПРАВЛІННЯ ЕКОЛОГІЧНОЇ БЕЗПЕКИ

ОДЕСЬКОГО МІСЬКВИКОНКОМУ

ОДЕСЬКА ФІЛІЯ ІНСТИТУТУ БІОЛОГІЇ

ПІВДЕННИХ МОРІВ НАН УКРАЇНИ ОДЕСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ЦЕНТР НАУКОВО-ТЕХНІЧНОЇ

І ЕКОНОМІЧНОЇ ІНФОРМАЦІЇ

ЕКОЛОГІЧНІ ПРОБЛЕМИ ЧОРНОГО МОРЯ

Одеса ОЦНТЕІ

2002

ББК26.221.8я46 Е40

УДК 504.42(045)

Друкується за рішенням Редакційно-видавничої Ради при Одеському ЦНТЕІ. Протокол № 9 від 25.10.2002 р.

Екологічні проблеми Чорного моря: 36. Матеріалів до 4-го Міжнар. Симпозіуму, 31 жовтня -1 листопада, 2002 p., Одеса/ Одеськ. центр наук.-техніч. та економіч. інформації; Ред.кол.: Г.Г. Мінічева, Б.М. Кац. -Одеса: ОЦЕГШ, 2002. - 327 с.

Даний збірник є четвертім в серії наукових публікацій матеріалів на щорічному міжнародному симпозіумі. Таким чином у збірнику надані матеріали щодо стану екосистеми Чорного моря присвячені основним підсумкам виконання Стратегічного плану дій по реабілітації і охороні Чорного моря, затвердженого 31 жовтня 1996р., підсумкового документа першого етапу виконання Міжнародної Чорноморської Екологічної Програми ООН. У збірнику надруковані матеріали, які відображають основні розділи Програми, а саме: швидке реагування при надзвичайних ситуаціях, моніторинг забруднення і стандарти якості навколишнього середовища, захист біологічної різноманітності, розробка загальної методології управління прибережною зоною моря, рибальство, освіта і громадська поінформованість в природоохоронній області. В статтях представлені результати наукових досліджень, які раніше не були надруковані. Подані дані, їх інтерпретація і закінчення належать авторам повідомлень і ні в коєму разі не можуть бути приписані членам Організаційного комітету, які склали даний збірник.

Збірник призначень для широкого кола спеціалістів у галузі біології і екології моря, океанографії, техногенної безпеки і охорони природи.

Відповідальні редактори: докт. біол. наук Г.Г. Мінічева канд. хім. наук Б.М. Кац

The Black Sea ecological problems: Collected papers / SCSEIO, Odessa: SCSEIO, 2002.- 327 p.

Present issue is devoted to the main results of Strategic Action Plan for the Rehabilitation and Protection (SAPRP) of the Black Sea (1996-2000) implementation. The SAPRP is a resulting document of the Black Sea Environmental Program (GEF/UN/UNDP) first step. The published materials have been reflected by the main Program sections: emergency response, pollution monitoring and environmental quality standards, protection of biodiversity, integrated coastal zone management, fisheries, environmental education and public awareness. These papers are the results of scientific research haven't been unpublished earlier. The findings, interpretations and conclusions expressed in papers are in own property of the authors and should not attributed in any manner to the members of Organization committee, which prepared this issue. The issue was design for specialists in the field of marine biology and ecology, oceanology, technogenic safety and environmental protection.

Editors in chief: doctor of biology G.G. Minicheva

1502010400 2002

ISBN 966-7635-20-1

ИнБЮМ АН УССР Одесский филиал

БИБЛИОТЕКА

ББ С26.221.8я46

у; к 504.42(045)

-4

© Складач

Одеський державний центр науково-технічної і економічної інформації, 2002.

E

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ КАЧЕСТВА ВОД

ЭКОСИСТЕМЫ ОДЕССКОГО РЕГИОНА СЕВЕРО-ЗАПАДНОЙ ЧАСТИ ЧЕРНОГО МОРЯ

Ю.С. Тучковенко

Одесский филиал Института биологии южных морей им. АО. Ковалевского HAH Украины

Под Одесским регионом северо-западной части Черного моря (СЗЧМ) понимается акватория, прилегающая к городу-порту Одессе и портам-спутникам Южный и Ильичевск. В мористой части этот район ограничивается траверсами проливов, соединяющих Аджалыкский и Су­хой лиманы с открытым морем.

На качество вод экосистемы Одесского региона СЗЧМ большое влияние оказывает речной сток Днепра, Южного Буга и частично Дуная, с водами которых поступает значительное количество загрязняющих ве­ществ. На побережье исследуемого района расположены промышленная, портовая и жилая зоны как самого города Одессы, так и его городов-спутников Ильичевск и Южный, сточные воды которых являются мощ­ным антропогенным источником загрязнения Одесского региона СЗЧМ.

С другой стороны Одесский регион является санаторно-курортной зоной Украины, на побережье которого в летнее время отдыхают и лечатся тысячи как жителей Украины, так и других стран СНГ. К этому региону примыкает также Одесская банка - ценнейший рыбохозяйственный уча­сток Черного моря, на котором идет воспроизводство рыбных ресурсов.

Таким образом, прогноз и управление качеством вод в Одесском регионе СЗЧМ, выяснение роли различных природных и антропогенных источников в формировании уровня загрязнения этой акватории, являет­ся актуальной задачей. Решишь ее невозможно без использования мате­матических моделей водных экосистем, в которых учитываются не толь­ко прямые, но и обратные связи между биотическим и абиотическим компонентами водной экосистемы, а также трофические связи внутри иотического компонента.

В Одесском отделении Института биологии южных морей, начиная 80-х годов накоплен значительный натурный материал об изменчиво-

239сти основных биотических элементов экосистемы Одесского региона и гидрохимических показателей качества ее вод. Установлено, что кбго-даемые в этом районе концентрации загрязняющих веществ в несколько раз превышают их значения, характерные для мористой части СЗЧМ. Обусловлено это прежде всего вкладом антропогенных источников за­грязнения мегаполиса Одесса.

Экосистема Одесского региона СЗЧМ относится к разряду эвтроф-ных. В летние месяцы года в придонных слоях периодически отмечаются случаи гипоксии и аноксии, что связано как с особенностями гидрологи­ческого и гидрохимического режима акватории, так и с неконтролируе­мым поступлением биогенных веществ и органического вещества со сточными водами антропогенных источников. В результате происходит гибель аэробных морских организмов в придонном слое, ухудшаются ус­ловия обитания высших гидробионтов, нарушается устойчивость, трофи­ческая структура и динамика функционирования экосистемы, теряется биопродукционный и рекреационный потенциал морской среды.

Таким образом, выработка стратегии управления качеством вод экосистемы исследуемого района путем нормирования сбросов антропо­генных источников загрязнения представляется актуальной научной за­дачей. Решение этой задачи невозможно без разработки и использования математических моделей, которые позволяют прогнозировать возможные изменения в состоянии экосистемы и качества ее вод при тех или иных изменениях факторов окружающей среды и антропогенных воздействий.

С 2001 года работы по адаптации и калибрации численной трех­мерной математической модели качества вод экосистемы Одесского ре­гиона СЗЧМ проводятся в Одесском филиале Института биологии кж-ных морей. Разработка этой модели преследует несколько целей. С одной стороны, модель может быть использована в научных целях для провер­ки научных гипотез и объяснения фактов, регистрируемых в ходе эколо­гического мониторинга; установления причинно-следственных связей различных процессов и явлений, наблюдаемых в исследуемой акватории. С другой стороны, модель может быть использована в качестве инстру­мента для решения различного рода прикладных задач, связанных с про­гнозированием продуктивности и управлением, в рамках возможного, качеством вод исследуемой экосистемы.

Предполагается, что модель будет состоять из трех блоков (подмо­делей):

-   трехмерная гидродинамическая модель, описывающая динамику вод и распространение пассивной, консервативной примеси при различ­ных гидрометеорологических условиях, с учетом морфологических особенностей бассейна (батиметрии, конфигурации берегов) и речно­го стока;

- блок самоочищения вод от загрязняющих веществ, которые не свой­ственны морской среде, т.е. поступают в экосистему из внешних, как правило, антропогенных источников;

- блок эвтрофикации и кислородного режима вод, в котором описаны ес­тественные химико-биологические процессы, определяющие баланс веществ и энергии в экосистеме, степень ее трофности и сапробности.

Гидродинамический блок модели представляет собой известную мо­дель Хесса МЕССА (Model for Estuarine and Coastal Circulation Assessment) [1] для эстуарных зон, дополненную блоком переноса пассивной, консерва­тивной примеси с использованием транспортивных конечно-разностных схем. Эта модель позволяет рассчитывать трехмерную термохалинную структуру вод, интенсивность турбулентного обмена, а также стоковые, ветровые и плотностные течения в эстуариях, заливах, лиманах и на мелко­водном континентальном шельфе. По своей структуре она согласуется с другой хорошо известной из литературы моделью [2].

Характерной особенностью данной модели является то, что она по­зволяет одновременно производить расчеты динамики вод и распростра­нения примеси на акватории сопряженных водных объектов как сеточно­го, так и подсеточного масштабов. В данном случае, под водными объек­тами сеточного масштаба понимаются заливы, бухты, лиманы, участки морского шельфа, пространственные размеры которых намного превы­шают шаг расчетной сетки численной модели. Подсеточными называют­ся водные объекты, одна из горизонтальных геометрических характери­стик которых значительно меньше шага расчетной сетки (например, уз-ыв реки, каналы, проливы).

Указанное свойство модели имеет особенно важное значение для корректного описания динамики вод в устьевых областях рек Дунай, Днепр, Южный Буг, а также циркуляции вод как в самих лиманах, где есть узости (например, Сухой лиман), так и водообмена между ними и северо-западной частью Черного моря через узкие проливы.

При построении блока самоочищения вод от неконсервативных за-фязняющих веществ и патогенной микрофлоры предполагается, что де­градация (гибель) загрязняющих веществ (микроорганизмов) в результа­те их физико-химической и (или) биохимической трансформации описы­вается кинетическим уравнением реакции первого порядка:

где Кт - константа скорости распада (гибели) субстанции, определяемая экспериментальным путем по формуле

21 С

(2)

и являющаяся функцией свойств среды (температуры, солености рН и т.н.). Здесь, С" - начальная концентрация загрязняющего вей ва; с," - концентрация через время /; t'- время, в течение которого прак­тически не происходит изменения концентрации С" (время адаптации микроорганизмов).

атмосфера

Фитошіанктон

смертность

t t t

фотосинтез

дых а кие выедание-

,-олеине  [ФиТ0ПЛЗН|СТ0н(-сортность -

_J       дых а кие        , ■

t   t   t L-выедание—»—

і------фотосинтез,» [планетой]

j,   <^ш,  t іХш^_, Ш/

I |Нитриты|        J Аммоний].^  ^ Фосфаты fO/     , |

! угч т'ннтри- _ ^ ^-^1*^=^дыханив ■'/выедание СО фикацш,  Биохимическое] ГГсмвртность/

[Нитраты]

Биохимическое

нитри фикация

_ окисление

N I

де

мертвое органическое

і

вещества

•.ИСЛ

ород!----

осаяадение і

ДНО

(X) - антропогенные источники

Рис. 1. Структурная диаграмма химико-биологического блока модели эв-трофикации и связей между его элементами

Блок эвтрофикации фактически представляет собой модель функ­ционирования водной экосистемы с высокой степенью агрегированности ее биологических элементов. В первоначальном варианте он включает в себя описание динамики следующих характеристик водной экосистемы: фитопланктон, зоопланктон, мертвое органическое вещество, фосфаты, аммоний, нитриты, нитраты, растворенный кислород. Диаграмма связей между компонентами экосистемы представлена на рис.1.

Объединение химико-биологической части модели с гидродинами­ческой в единую модель качества вод осуществляется на основе уравне­ния переноса неконсервативной примеси:

242

dt   дх дх    ду ay    дг * oz

где f- время; «,v,w- компоненты вектора скорости течений 9 в направле­ниях х, у, z, соответственно, рассчитываемые в гидродинамическом бло­ке; Dh и д, - коэффициенты горизонтальной и вертикальной диффузии примеси, рассчитываемые в гидродинамическом блоке; С - концентрация примеси химического или биологического происхождения; ия- скорость

гравитационного осаждения примеси; F - рассчитываемая в блоке само­очищения или эвтрофикации функция неконсервативности, учитываю­щая внутренние источники и стоки примеси С, обусловленные химико-биологическими реакциями, протекающими в экосистеме.

Модель качества вод, сходная по структуре с описанной выше, бы­ла успешно использована для разработки научно-обоснованных приро­доохранных мероприятий с целью реабилитации экосистем водоемов Ка­рибского побережья Колумбии [3].

Литература

Hess K.W. МЕССА Program Documentation NOAA. Technical Report NESDIS 46.- Wash., D.C., USA, 1989. - 200 p.

2. Blumberg A.F., Mellor G.L. Diagnostic and prognostic numerical circulation studies of the South Atlantic Bight. // J.Geophys.Res., N 88, 1983.-P.4579-4592.

3. Тучковенко Ю.С. Трехмерная математическая модель эвтрофикации прибрежных морских акваторий // Экологическая безопасность при­брежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа, вып.2-НАН Украины, МГИ, ОФ ИнБЮМ, Севастополь, 2001.-43-61.

Страницы:
1 


Похожие статьи

Ю С Тучковенко - Влияние ливневого стока на загрязнение прибрежной зоны г одессы

Ю С Тучковенко - Математическая модель качества водэкосистемы одесского региона северо-западной части черного моря

Ю С Тучковенко - Сезонные особенности термохалинной циркуляции одесского региона северо-западной части черного моря

Ю С Тучковенко - Якість вод екосистем шельфових зон морів в умовах антропогенного впливу

Ю С Тучковенко - К вопросу о реконструкции волноломов для улучшения экологической ситуации в пляжной зоне г одессы